WO2006056185A1 - Kolben mit einem kühlkanal für einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung des kolbens - Google Patents

Kolben mit einem kühlkanal für einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung des kolbens Download PDF

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Definitions

  • Piston having a cooling passage for an internal combustion engine and method of manufacturing the piston
  • the invention relates to a piston with a cooling channel for a Verbrennungs ⁇ engine according to the preamble of claim 1 and a method for producing the piston according to the preamble of the independent claim.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 09096248 discloses a piston for an internal combustion engine having an annular cooling passage in its radially outer portion and near the piston head, on the inner wall of which protrusions projecting into the interior of the cooling passage are formed 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, becomes a salt core, which is used to produce the cooling channel.
  • FIG. 2 shows a toroidal salt core, on the outer surface of which the coil according to the invention is wound, and which, in the production of the piston, is inserted into a casting mold and surrounded by aluminum.
  • piston 1 shows a piston 1 made of aluminum in section, which has a combustion bowl 3 formed in its piston head 2 and on its underside facing away from the piston bottom two mutually opposite shaft elements 4, 4 ', of which pin bosses 5 are held with hub bores 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 has a ring ⁇ shaped and dashed lines drawn cooling channel 9, in the oil inlet opening 10 via a cooling oil 11 is introduced via an oil drain opening 12 in the direction of arrow 13 from the cooling channel 9 runs out again.
  • the surface of the cooling channel 9 crucial for the cooling effect is increased so that the heat dissipation via the cooling oil is also improved, since in this case additional heat is dissipated by the helix 15 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 helix 15 into the cooling channel 9 will be explained with reference to FIG. 2. 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 casting mold for pistons and surrounded with aluminum, wherein the salt core 16 plays the role of a Platzhal ⁇ ter for the cooling channel 9. Subsequently, the oil feed and the oil drain opening 10 and 12 are introduced into the finished cast Kol ⁇ benrohling within the fine machining of the piston 1, whereupon the salt of the Salzkernes16 is washed out of the cooling channel 9. What remains is the helix 15, which is connected to the inner wall of the cooling channel 9 and thereby improves the cooling effect of the oil passed through the cooling channel 9.
  • the salt core 16 is first prepared by filling in a salt corrugation corresponding to the salt core 16, 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.
  • a shape is selected for the salt core 16 whose inner diameter is equal to the radial diameter r, the slightly prestressed helix 15, which is therefore smaller than the radial diameter of the relaxed helix 15th
  • the helix 15, which is slightly preloaded about its longitudinal axis by twisting, is inserted into this mold and, moreover, salt granules are introduced, after which the salt core 16 is pressed with the helix 15 inserted.
  • 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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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor mit einem nahe dem Kolbenboden (2) angeordneten, ringförmigen Kühlkanal (9), dessen Innenwand in das Innere des Kühlkanals (9) ragende Vorsprünge aufweist, die von einer im Kühlkanal (9) angeordneten und an der Innenwand des Kühlkanals (9) anliegenden, spiralförmigen Wendel (15) gebildet werden. Dadurch ist auf einfache Weise erreichbarm, dass das durch den Kühlkanal (9) fließende Kühlöl verwirbelt wird und damit dessen Kühlwirkun verbessert wird.

Description

Kolben mit einem Kühlkanal für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung des Kolbens
Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einem Kühlkanal für einen Verbrennungs¬ motor 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 gewi¬ ckein 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 Kühlkanalinnen¬ wand angeordneten Wendel zur Verbesserung der Kühlung des Kolbens, und
Fig. 2 einen torusförmigen Salzkern, auf dessen Außenfläche die erfindungsge¬ mäße Wendel aufgewickelt ist, und der bei der Herstellung des Kolbens in eine Gießform eingelegt und von Aluminium umgössen wird.
Fig. 1 zeigt einen aus Aluminium hergestellten Kolben 1 im Schnitt, der eine in sei¬ nen Kolbenboden 2 eingeformte Verbrennungsmulde 3 und auf dessen kolbenbo- denabgewandter 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 ring¬ förmigen und gestrichelt eingezeichneten Kühlkanal 9 auf, in den über eine Ölzulauf- öffnung 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 1 1 gleichmäßig auf die beiden halbkreisförmi¬ gen 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, spiral¬ förmige 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 Kühl¬ kanalwand kommt als in einem Kühlkanal ohne Vorsprünge, sodass die Wärmeab¬ fuhr im Kolben 1 mit der erfindungsgemäßen Wendel 15 im Kühlkanal 9 gegenüber einem herkömmlichen Kolben mit einem Kühlkanal mit glatter Innenfläche verbes¬ sert wird. Zum anderen wird durch die mit der Wand des Kühlkanals 9 in thermi¬ schem 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 Salzkem 16 wird in eine Gießform für Kolben ein¬ gelegt und mit Aluminium umgössen, wobei der Salzkern 16 die Rolle eines Platzhal¬ ter für den Kühlkanal 9 spielt. Anschließend werden in den fertig gegossenen Kol¬ benrohling 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 Kühl¬ kanal 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 entspre¬ chende 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 umgössen 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 umgössen wird, son¬ dern 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 r, der leicht vorgespannten Wendel 15 ist, der also kleiner ist, als der radiale Durchmesser der enspannten Wendel 15. In diese Form wird die durch Ver¬ drehen um ihre Längsachse leicht vorgespannte Wendel 15 eingelegt und zudem Salzgranulat eingefüllt, wonach der Salzkem 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. Bezuαszeicheπliste
1 Kolben
2 Koibenboden
3 Verbrennungsmulde
4, 4 1 Schaftelement
5 Bolzennabe
6 Nabenbohrung
7 Ringpartie
8 Außenseite des Kolbens 1
9 Kühlkanal
10 Ölzulauföffnung
1 1 Kühlöl, Kühlölstrahl
12 Ölablauföffnung
13 Pfeil
14 Öldüse
15 Wendel
16 Salzkern
Ti radialer Durchmesser der Wendel 15

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- mit einem Kolbenboden (2),
- mit einem im radialen Außenbereich des Kolbens (1 ) und nahe dem Kolben¬ boden (2) angeordneten, ringförmigen Kühlkanal (9),
- mit einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölzulauföffnung (10) und einer in den Kühlkanal (9) mündenden Ölablauf Öffnung (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, spiral¬ förmigen 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 spiralfömigen 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 Kolben¬ rohlings 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 Satzkernes (16) unter Ver¬ wendung 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 Salz¬ kernes (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 Ver¬ wendung 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 r, aufweisende Wendel (15) in eine Form zum Pressen des Salzkernes (16), wobei der Innendurchmesser der Form gleich dem radialen Durchmesser r, der vorgespannten Wendel (15) ist,
- Einfüllen von Salzgranulat in die Form,
- Pressen des Salzkernes mit eingelegter Wendel (15).
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