EP1815123B1 - Kolben mit einem k]hlkanal f]r einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung des kolbens - Google Patents

Kolben mit einem k]hlkanal f]r einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung des kolbens Download PDF

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EP1815123B1 EP05826464A EP05826464A EP1815123B1 EP 1815123 B1 EP1815123 B1 EP 1815123B1 EP 05826464 A EP05826464 A EP 05826464A EP 05826464 A EP05826464 A EP 05826464A EP 1815123 B1 EP1815123 B1 EP 1815123B1
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    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • the invention relates to a piston with a cooling channel for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a method for producing the piston according to the preamble of the independent claim. 3
  • a piston for an internal combustion engine which has in its radial outer region and near the piston head an annular cooling channel, on the inner wall in the interior of the cooling channel protruding projections are formed, which consist of the same material as the piston.
  • the use of a soluble core is required, which has a very complicated structured surface, which has the disadvantage that the production of the known piston is very complicated and expensive.
  • a simple helix is used, which, in order to attach projections to the inner wall of the cooling channel, will wind around a salt core used to make the cooling channel.
  • Fig. 1 shows a piston 1 made of aluminum in section, which has a molded into its piston crown 2 combustion bowl 3 and on the piston bottom facing away from the underside two opposing shaft elements 4, 4 ', of which pin bosses 5 are held with hub holes 6. In the vicinity of the piston bottom is located on the radial outer side 8 of the piston 1, a ring portion. 7
  • the piston 1 an annular and dashed lines shown cooling channel 9, in the oil inlet opening 10 via a cooling oil 11 is introduced, which expires via an oil drain opening 12 in the direction of arrow 13 from the cooling channel 9 again.
  • a rib element not shown in the figures can be arranged in the direction of the cooling oil jet 11 behind the oil feed opening 10 on the inside of the cooling channel 9 facing the piston crown be substantially cross-sectionally has the shape of a triangle whose tip points downward in the direction of the cooling oil jet 11, and from the legs of the cooling oil bounces 11 and is passed in equal parts in the two cooling channel halves.
  • Dashed lines are drawn in Fig. 1 a arranged in the cooling channel 9, spiral helix 15 made of spring steel, which rests against the wall of the cooling channel 9, and whose purpose is firstly to swirl the cooling oil flowing through the cooling channel 9, whereby at the same time a larger amount of oil comes into contact with the cooling channel wall as in a cooling channel without protrusions, so that the heat dissipation in the piston 1 with the coil 15 according to the invention in the cooling channel 9 is improved over a conventional piston having a cooling passage with a smooth inner surface.
  • the heat dissipation via the cooling oil is improved by the standing with the wall of the cooling channel 9 in thermal contact coil 15 which determines the cooling effect surface of the cooling channel 9, since in this case 15 of the additional heat of the piston. 1 is received and passed over the surface of the cooling oil.
  • the coil 15 can be arranged according to the invention in the cooling channel of a cooled ring carrier.
  • the method of introducing the coil 15 in the cooling channel 9, is based on Fig. 2 explained. Shown is a donut-shaped salt core 16, on the outer surface of the helix 15 is arranged. This salt core 16 is placed in a mold for pistons and cast aluminum, wherein the salt core 16 plays the role of a placeholder for the cooling channel 9. Subsequently, in the finished cast piston blank during the fine machining of the piston 1, the oil inlet and the oil drain opening 10 and 12 are introduced, via which the salt of the salt core 16 is washed out of the cooling channel 9. Remains the coil 15, which is connected to the inner wall of the cooling channel 9 and thereby improves the cooling effect of the guided through the cooling channel 9 oil.
  • the salt core 16 is first prepared by filling in a form corresponding to the salt core 16 salt granules, which is subjected to a pressing pressure which solidifies the salt and thereby forms the salt core 16. On the salt core 16, the helix 15 is then wound up.
  • either the shape for the salt core can have a helical formation directed into the interior of the shape, such that a spiral groove results when the salt core is pressed on its surface, in which the helix 15 comes to lie on the salt core 16 during winding.
  • the salt core 16 can be selected for the pressing of the salt core 16 a Fom with smooth inner surface, so that in this case results in a salt core 16 with a smooth surface.
  • the coil 15 then forms in the cooling channel 9 of the finished cast piston 1 a helical, inwardly directed projection, which serves to improve the cooling effect of the cooling oil.
  • a shape for the salt core 16 is selected, whose inner diameter is equal to the radial diameter r 1 of the slightly prestressed helix 15, which is therefore smaller than the radial diameter of the relaxed helix 15th
  • the slightly biased by twisting about its longitudinal axis coil 15 is inserted and also filled with salt granules, after which the salt core 16 is pressed with inserted coil 15.
  • the salt core 16 is solidified such that the coil 15 remains in the salt core 16 after the pressing process. If, after pouring the piston 1 using this salt core 16, the salt is washed out, the coil 15 adheres under prestress to the inner surface of the cooling channel 9 and thereby contributes to improving the cooling effect of the cooling oil.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einem Kühlkanal für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach dem Oberbegriff des Nebenanspruches 3.
  • Aus der Japanischen Offenlegungsschrift mit der Publikationsnummer 09096248 (Fig. 12) ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der in seinem radialen Außenbereich und nahe dem Kolbenboden einen ringförmigen Kühlkanal aufweist, an dessen Innenwand in das Innere des Kühlkanals ragende Vorsprünge angeformt sind, die aus dem gleichem Material wie der Kolben bestehen. Bei der Herstellung des bekannten Kolbens ist die Verwendung eines löslichen Kernes erforderlich, der eine sehr kompliziert strukturierte Oberfläche aufweist, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Herstellung des bekannten Kolbens sehr aufwendig und teuer ist.
  • Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mir den in den Kennzeichen des Hauptanspruches und des Nebenanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Untersprüche.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einfache Wendel verwendet, die, um an der Innenwand des Kühlkanals Vorsprünge anzubringen, um einen Salzkern gewickeln wird, der zur Herstellung des Kühlkanals verwendet wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen Kolben mit einem Kühkanal und mit einer an der Kühlkanalinnenwand angeordneten Wendel zur Verbesserung der Kühlung des Kolbens, und
    Fig. 2
    einen torusförmigen Salzkern, auf dessen Außenfläche die erfindungsgemäße Wendel aufgewickelt ist, und der bei der Herstellung des Kolbens in eine Gießform eingelegt und von Aluminium umgossen wird.
  • Fig. 1 zeigt einen aus Aluminium hergestellten Kolben 1 im Schnitt, der eine in seinen Kolbenboden 2 eingeformte Verbrennungsmulde 3 und auf dessen kolbenbodenabgewandter Unterseite zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 4, 4' aufweist, von denen Bolzennaben 5 mit Nabenbohrungen 6 gehalten werden. In Kolbenbodennähe befindet sich auf der radialen Außenseite 8 des Kolbens 1 eine Ringpartie 7.
  • Nahe der Außenseite 8 und nahe dem Kolbenboden 2 weist der Kolben 1 einen ringförmigen und gestrichelt eingezeichneten Kühlkanal 9 auf, in den über eine Ölzulauföffnung 10 Kühlöl 11 eingeleitet wird, das über eine Ölablauföffnung 12 in Richtung des Pfeiles 13 aus dem Kühlkanal 9 wieder ausläuft. Damit sich hierbei das in die Ölzulauföffnung 10 gespritzte Kühlöl 11 gleichmäßig auf die beiden halbkreisförmigen Hälften des Kühlkanals 9 verteilt, kann in Richtung des Kühlölstrahles 11 betrachtet hinter der Ölzulauföffnung 10 an der dem Kolbenboden zugewandten Innenseite des Kühlkanals 9 ein in den Figuren nicht dargestelltes Rippenelement angeordnet sein, das im Querschnitt im Wesentlichen die Form eines Dreieckes hat, dessen Spitze nach unten in Richtung des Kühlölstrahles 11 weist, und von dessen Schenkel das Kühlöl 11 abprallt und zu gleichen Teilen in die beiden Kühlkanalhälften geleitet wird.
  • Gestrichelt eingezeichnet ist in Fig. 1 eine in dem Kühlkanal 9 angeordnete, spiralförmige Wendel 15 aus Federstahl, die an der Wand des Kühlkanals 9 anliegt, und deren Zweck zum einen darin besteht, das durch den Kühlkanal 9 fließende Kühlöl zu verwirbeln, wodurch in gleicher Zeit eine größere Ölmenge in Kontakt mit der Kühlkanalwand kommt als in einem Kühlkanal ohne Vorsprünge, sodass die Wärmeabfuhr im Kolben 1 mit der erfindungsgemäßen Wendel 15 im Kühlkanal 9 gegenüber einem herkömmlichen Kolben mit einem Kühlkanal mit glatter Innenfläche verbessert wird. Zum anderen wird durch die mit der Wand des Kühlkanals 9 in thermischem Kontakt stehende Wendel 15 die für die Kühlwirkung ausschlaggebende Oberfläche des Kühlkanals 9 vergrößert, sodass auch hierdurch die Wärmeabfuhr über das Kühlöl verbessert wird, da hierbei von der Wendel 15 zusätzlich Wärme des Kolbens 1 aufgenommen und über deren Oberfläche an das Kühlöl weitergeleitet wird.
  • Nicht dargestellte ist in den Figuren, dass die Wendel 15 gemäß der Erfindung auch im Kühlkanal eines gekühlten Ringträgers angeordnet sein kann.
  • Das Verfahren, die Wendel 15 in den Kühlkanal 9 einzubringen, wird anhand von Fig. 2 erläutert. Dargestellt ist ein torusförmiger Salzkern 16, auf dessen Außenfläche die Wendel 15 angeordnet ist. Dieser Salzkern 16 wird in eine Gießform für Kolben eingelegt und mit Aluminium umgossen, wobei der Salzkern 16 die Rolle eines Platzhalter für den Kühlkanal 9 spielt. Anschließend werden in den fertig gegossenen Kolbenrohling im Rahmen der Feinbearbeitung des Kolbens 1 die Ölzulauf- und die Ölablauföffnung 10 und 12 eingebracht, worüber das Salz des Salzkernes16 aus dem Kühlkanal 9 ausgewaschen wird. Zurück bleibt die Wendel 15, die mit der Innenwand des Kühlkanals 9 verbunden ist und dadurch die Kühlwirkung des durch den Kühlkanal 9 geleiteten Öles verbessert.
  • Gemäß einem ersten Verfahren zur Herstellung eines Salzkernes 16 mit Wendel 15 wird zunächst der Salzkern 16 hergestellt, indem in eine dem Salzkern 16 entsprechende Form Salzgranulat eingefüllt wird, das einem Pressdruck ausgesetzt wird, der das Salz verfestigt und dadurch der Salzkern 16 bildet. Auf den Salzkern 16 wird anschließend die Wendel 15 aufgewickelt.
  • Um zu verhindern, dass beim Gießen des Kolbens die Wendel 15 von Aluminium umgossen wird, kann entweder die Form für den Salzkern eine spiralförmige, in das Innere der Form gerichtet Anformung aufweisen, sodass sich beim Pressen des Salzkernes auf dessen Oberfläche eine spiralförmige Nut ergibt, in der die Wendel 15 beim Aufwickeln auf den Salzkern 16 zu liegen kommt.
  • Oder es kann für das Pressen des Salzkernes 16 eine Fom mit glatter Innenfläche gewählt werden, sodass sich hierbei ein Salzkern 16 mit glatter Oberfläche ergibt. Dann ist es erforderlich, eine spiralförmige Nut zur Aufnahme der Wendel 15 nach dem Pressen des Salzkernes 16 in die Oberfläche des Salzkernes 16 einzuarbeiten. Jedenfalls wird hierdurch erreicht, dass beim Gießen des Kolbens 1 die in der Nut des Salzkernes 16 liegende Wendel 15 nicht von Aluminium umgossen wird, sondern nur an der Innenfläche des Kühlkanals 9 anhaftet. Die Wendel 15 bildet dann im Kühlkanal 9 des fertig gegossenen Kolbens 1 einen spiralförmigen, nach innen gerichteten Vorsprung, der der Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlöles dient.
  • Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung des Salzkernes 16 mit Wendel 15 wird eine Form für den Salzkern 16 gewählt, deren Innendurchmesser gleich dem radialen Durchmesser r1 der leicht vorgespannten Wendel 15 ist, der also kleiner ist, als der radiale Durchmesser der enspannten Wendel 15. In diese Form wird die durch Verdrehen um ihre Längsachse leicht vorgespannte Wendel 15 eingelegt und zudem Salzgranulat eingefüllt, wonach der Salzkern 16 mit eingelegter Wendel 15 gepresst wird. Hierbei wird der Salzkern 16 derart verfestigt, dass die Wendel 15 nach dem Pressvorgang in dem Salzkern 16 verbleibt. Wird nach dem Gießen des Kolbens 1 unter Verwendung dieses Salzkernes 16 das Salz ausgewaschen, haftet die Wendel 15 unter Vorspannung an die Innenfläche des Kühlkanals 9 an und trägt dadurch zur Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlöles bei.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolben
    2
    Kolbenboden
    3
    Verbrennungsmulde
    4, 4'
    Schaftelement
    5
    Bolzennabe
    6
    Nabenbohrung
    7
    Ringpartie
    8
    Außenseite des Kolbens 1
    9
    Kühlkanal
    10
    Ölzulauföffnung
    11
    Kühlöl, Kühlölstrahl
    12
    Ölablauföffnung
    13
    Pfeil
    14
    Öldüse
    15
    Wendel
    16
    Salzkern
    r1
    radialer Durchmesser der Wendel 15

Claims (6)

  1. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor
    - mit einem Kolbenboden (2),
    - mit einem im radialen Außenbereich des Kolbens (1) und nahe dem Kolbenboden (2) angeordneten, ringförmigen Kühlkanal (9),
    - mit einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölzulauföffnung (10) und einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölablauföffnung (12) und
    - mit an der Innenwand des Kühlkanals (9) angeordneten und in das Innere des Kühlkanals (9) ragenden Vorsprüngen,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge von einer im Kühlkanal (9) angeordneten und mit der innenwand des Kühlkanals (9) verbundenen, spiralförmigen Wendel (15) gebildet werden.
  2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (15) aus Federstahl besteht.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einem Kühlkanal (9) für einen Verbrennungsmotor, wobei an die Innenwand des Kühlkanals (9) Vorsprünge angebracht werden,
    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
    - Herstellen eines torusförmigen Salzkernes (16), der eine in spiralförnigen Vertiefungen dessen Außenfläche angeordnete Wendel (15) aufweist,
    - Einlegen des Salzkernes (16) in eine Gießform für den Kolben (1) an die Stelle, wo der Kühlkanal (9) entstehen soll,
    - Einfüllen von Gießmaterial in die Gießform zur Herstellung eines Kolbenrohlings mit Kühlkanal (9),
    - Feinbearbeitung des Kolbenrohlings zur Herstellung des Kolbens (1),
    - Einbringen einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölzulauföffnung (10) und einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölablauföffnung (12),
    - Auswaschen des Salzes des Salzkernes (16) über die Ölzulauföffnung (10) und die Ölablauföffnung (12), wobei die Wendel (15) mit der Innenwand des Kühlkanal (9) verbunden bleibt und die Vorsprünge an der Innenwand des Kühlkanals (9) bildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 4,
    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte,
    - Herstellen des Salzkernes (16) durch Pressen des Salzkernes (16) unter Verwendung einer Form, deren Innenfläche eine spiralförmige, in das Innere der Form ragende Anformung aufweist,
    - Aufwickeln der Wendel (15) auf den Salzkern (16) derart, dass die Wendel (15) in der von der Anformung gebildeten und in der Außenfläche des Salzkernes (16) angeordneten Nut zu liegen kommt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte,
    - Herstellen des Salzkernes (16) durch Pressen des Salzkernes (16) unter Verwendung einer Form mit glatter Innenfläche,
    - Einarbeiten einer spiralförmgen Nut in die Außenfläche des Salzkernes (16),
    - Aufwickeln der Wendel (15) auf den Salzkern (16) derart, dass die Wendel (15) in der Nut zu liegen kommt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4,
    gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte,
    - Herstellen des Salzkernes (16) durch Einlegen der vorgespannte und damit einen verringerten radialen Durchmesser r1 aufweisende Wendel (15) in eine Form zum Pressen des Salzkernes (16), wobei der Innendurchmesser der Form gleich dem radialen Durchmesser r1 der vorgespannten Wendel (15) ist,
    - Einfüllen von Salzgranulat in die Form,
    - Pressen des Salzkernes mit eingelegter Wendel (15).
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