AT522701B1

AT522701B1 - PISTON

Info

Publication number: AT522701B1
Application number: ATA50593/2019A
Authority: AT
Inventors: Molnar Dipl Ing Christoph (Fh); Keppl Ing Gert; Grillenberger Dipl Ing Dieter (Fh)
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-06-15
Also published as: DE102020116922A1; AT522701A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1), insbesondere Stahlkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden (4) und einer an einen Kolbenbodenrand (41) des Kolbenbodens (4) anschließenden Ringpartie (3), welche einen Feuersteg (7), zumindest eine Kompressionsringnut (5) und zumindest einer Ölabstreifringnut (6) aufweist, wobei die Kompressionsringnut (5) zwischen dem Kolbenbodenrand (41) und dem Ölabstreifring angeordnet ist. Um optimale Verbrennungsabläufe mit kurzer Brenndauer zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass der Kolben (1) zumindest eine Restgaskammer (10) aufweist, von der zumindest ein vorzugsweise gebohrter Düsenkanal (11) ausgeht, welcher auf einer einem Kolbenbolzenlager (8) abgewandten Seite einer normal auf die Kolbenachse (1a) ausgebildeten Bezugsebene (ε), die durch die Kompressionsring (5) verläuft, an die Kolbenoberfläche (40) führt.The invention relates to a piston (1), in particular a steel piston, for an internal combustion engine, with a piston head (4) and a ring section (3) adjoining a piston head edge (41) of the piston head (4), which has a top land (7), at least one Compression ring groove (5) and at least one oil control ring groove (6), the compression ring groove (5) being arranged between the piston head edge (41) and the oil control ring. In order to enable optimal combustion processes with a short burning time, it is provided that the piston (1) has at least one residual gas chamber (10) from which at least one preferably drilled nozzle channel (11) extends, which on a side facing away from a piston pin bearing (8) is a normal on the piston axis (1a) formed reference plane (ε), which runs through the compression ring (5), leads to the piston surface (40).

Description

description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Stahlkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden und einer an einen Kolbenbodenrand des Kolbenbodens anschließenden Ringpartie, welche einen Feuersteg, zumindest eine Kompressionsringnut und zumindest einer Olabstreifringnut aufweist, wobei die Kompressionsringnut zwischen dem Kolbenbodenrand und dem Olabstreifring angeordnet ist, wobei der Kolben zumindest eine Restgaskammer aufweist, von der zumindest ein vorzugsweise gebohrter Düsenkanal ausgeht, welcher auf einer einem Kolbenbolzenlager abgewandten Seite einer normal auf die Kolbenachse ausgebildeten Bezugsebene, die durch die Kompressionsringnut verläuft, an die Kolbenoberfläche führt. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine. The invention relates to a piston, in particular steel piston, for an internal combustion engine, with a piston head and a ring section adjoining a piston head edge of the piston head, which has a top land, at least one compression ring groove and at least one Olabstreifringnut, the compression ring groove between the piston head edge and the Oil scraper ring is arranged, the piston having at least one residual gas chamber, from which at least one preferably drilled nozzle channel extends, which leads to the piston surface on a side facing away from a piston pin bearing of a reference plane normal to the piston axis, which runs through the compression ring groove. The invention further relates to an internal combustion engine with such a piston, as well as a method for operating this internal combustion engine.

[0002] Stahlkolben werden insbesondere bei Fahrzeugmotoren zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades eingesetzt und ermöglichen hohe Leistungen und geringe Emissionen bei geringerem Kraftstoffverbrauch. Stahlkolben werden im Motorbetrieb auf Grund ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit heißer als Aluminiumkolben, weshalb dem Temperaturmanagement des Kolbens eine große Bedeutung zukommt. Durch die im Vergleich zu Aluminiumkolben geringere Materialausdehnung lassen sich geringe Reibungsverluste erzielen. Allerdings kann Restgas, welches sich im Bereich der Ringpartie ansammelt, zu verschleppter Verbrennung führen. In bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine können die Voraussetzungen zum Erreichen einer kurzen Brenndauer nur schwer erreicht werden. Steel pistons are used in particular in vehicle engines to improve the thermodynamic efficiency and enable high performance and low emissions with lower fuel consumption. When the engine is running, steel pistons get hotter than aluminum pistons due to their lower thermal conductivity, which is why the temperature management of the piston is of great importance. Due to the lower material expansion compared to aluminum pistons, low friction losses can be achieved. However, residual gas that accumulates in the area of the ring belt can lead to delayed combustion. In certain operating ranges of the internal combustion engine, the prerequisites for achieving a short combustion time can only be achieved with difficulty.

[0003] Aus der DE 10 2006 056 011 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, in dem ein radial umlaufender, zum Kolbenboden des Kolbens beabstandeter Kühlkanal integriert ist. Uber Einspritzdüsen wird ein Kühlmittel in einem freien Strahl in Eintrittsöffnungen eingespritzt. Das Kühlmittel durchströmt den geteilt gestalteten Kühlkanal im Gleichstrom und verlässt den Kolben durch getrennte Austrittsöffnungen. From DE 10 2006 056 011 A1 a piston for an internal combustion engine is known, in which a radially circumferential cooling channel spaced from the piston head of the piston is integrated. A coolant is injected into inlet openings in a free jet via injection nozzles. The coolant flows through the divided cooling channel in cocurrent and leaves the piston through separate outlet openings.

[0004] Die JP H0557338 U1 zeigt einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Restgaskammer, von welcher ein Düsenkanal ausgeht, welcher oberhalb einer normal auf die Kolbenachse ausgebildeten Bezugsebene, die durch die Kompressionsringnut verläuft, an die Kolbenoberfläche führt. Ahnliche Kolben sind auch aus den Druckschriften JP S61-190153 A oder DE 33 38 216 A bekannt. JP H0557338 U1 shows a piston for an internal combustion engine with a residual gas chamber from which a nozzle channel extends, which leads to the piston surface above a reference plane normal to the piston axis, which runs through the compression ring groove. Similar pistons are also known from the documents JP S61-190153 A or DE 33 38 216 A.

[0005] Die US 4,128,092 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben, wobei zwischen dem Kolben und der Zylinderkopfdecke eine Hauptbrennkammer ausgebildet ist. Unterhalb der Kolbenoberfläche ist ein mit dem Hauptbrennraum über Verbindungskanäle Strömungsverbundener Hohlraum ausgebildet, der eine Hilfsbrennkammer ausbildet. US 4,128,092 A discloses an internal combustion engine with a piston, a main combustion chamber being formed between the piston and the cylinder head cover. Underneath the piston surface there is a cavity which is flow-connected to the main combustion chamber via connecting channels and which forms an auxiliary combustion chamber.

[0006] Die JP H02110134 U zeigt einen Kolben mit einer Haupt-Kolbenmulde mit einer zentralen Erhebung, wobei in der zentralen Erhebung eine kleinere zweite Kolbenmulde im Bereich der Kolbenachse angeordnet ist, in welche ein zentraler Kraftstoffstrahl eingespritzt wird. Die zweite Kolbenmulde steht über Verbindungskanäle mit der Haupt-Kolbenmulde in Strömungsverbindung. Die zweite Kolbenmulde ist im Bereich und beidseits einer durch die Kompressionsringnut verlaufenden Normalebene auf die Kolbenachse angeordnet. Unterhalb der beiden Kolbenmulden ist in den Kolben eine Kühlkanalanordnung eingeformt, welche über Kühldüsen mit Kühlmittel beaufschlagt wird. JP H02110134 U shows a piston with a main piston recess with a central elevation, a smaller second piston recess being arranged in the central elevation in the region of the piston axis, into which a central fuel jet is injected. The second piston bowl is in flow connection with the main piston bowl via connecting channels. The second piston recess is arranged in the area and on both sides of a normal plane running through the compression ring groove on the piston axis. A cooling channel arrangement is molded into the piston below the two piston recesses, to which coolant is applied via cooling nozzles.

[0007] Ein weiterer Kolben mit einer im Bereich der Kolbenmulde angeordneten ringförmigen Kühlgalerie ist aus der DE 10 2017 112 089 A1 bekannt, welche Kühlgalerie über schaltbare Kühldüsen mit Ol beaufschlagbar ist. Uber dies Kühlgalerie soll die Temperatur des Kolbens unabhängig vom Lastzustand konstant gehalten werden. Eine gezielte Vermeidung von verschleppter Verbrennung bzw. Beschleunigung der Verbrennung über Jet Holes ist nicht beabsichtigt bzw. möglich. Another piston with an annular cooling gallery arranged in the region of the piston recess is known from DE 10 2017 112 089 A1, which cooling gallery can be acted upon with oil via switchable cooling nozzles. Via this cooling gallery, the temperature of the piston should be kept constant regardless of the load condition. A targeted avoidance of delayed combustion or acceleration of the combustion via jet holes is neither intended nor possible.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Kolben der eingangs genannten optimale Verbrennungsabläufe mit kurzer Brenndauer zu ermöglichen. The object of the invention is to enable the above-mentioned optimal combustion processes with a short burning time in a piston.

[0009] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kolben zumindest eine Kühlgalerie mit zumindest einem Kühlkanal aufweist, welcher im Bereich der Restgaskammer angeordnet ist, wobei der Kühlkanal schaltbar ausgebildet ist. According to the invention, this object is achieved in that the piston has at least one cooling gallery with at least one cooling channel which is arranged in the region of the residual gas chamber, the cooling channel being designed to be switchable.

[0010] Die Restgaskammer und der Düsenkanal bilden eine Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung und haben die Funktion, verschleppte Verbrennung zu vermeiden und die Verbrennung zu beschleunigen. The residual gas chamber and the nozzle channel form a combustion accelerating device and have the function of avoiding delayed combustion and accelerating the combustion.

[0011] Im Detail hat die Restgaskammer die Funktion heißes Restgas nach dem Zünden während eines ersten Arbeitstaktes zu speichern, weiter zu erhitzen und in einem folgenden Arbeitszyklus an einer Heißstelle eine Zündung des am heißen Restgas erwärmten Frischgases, welches im Kompressionstakt der Restgaskammer zugeführt wurde, einzuleiten. In detail, the residual gas chamber has the function of storing hot residual gas after ignition during a first working cycle, heating it further and igniting the fresh gas heated by the hot residual gas, which was fed to the residual gas chamber in the compression cycle, at a hot spot, initiate.

[0012] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkanal kurbelraumseitig zumindest einen Eintritt aufweist. Für die Versorgung der Kühlgalerie kann pro Eintritt eine Kühldüse im Zylinder oder im Kurbelraum vorgesehen sein, wobei vorzugsweise zumindest eine Kühldüse fluchtend mit dem Eintritt angeordnet ist. It when the cooling channel has at least one inlet on the crankcase side is particularly advantageous. For the supply of the cooling gallery, one cooling nozzle can be provided in the cylinder or in the crankcase for each inlet, with at least one cooling nozzle preferably being arranged in alignment with the inlet.

[0013] Mittels des Kühlkanals kann die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung indirekt geschalten, also thermisch aktiviert oder deaktiviert werden, indem die Restgaskammer erwärmt oder abgekühlt wird. Ein Abkühlen der Restgaskammer bewirkt, dass die Temperatur unter eine notwendige Reaktionstemperatur gesenkt wird. By means of the cooling channel, the combustion accelerating device can be switched indirectly, that is to say thermally activated or deactivated, in that the residual gas chamber is heated or cooled. A cooling of the residual gas chamber has the effect that the temperature is lowered below a necessary reaction temperature.

[0014] Alternativ oder zusätzlich zu dem schaltbaren Kühlkanal kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Kühldüse durch ein Schaltorgan schaltbar ausgebildet ist, wobei in einer ersten Stellung des Schaltorgans der Kühlmitteldurchfluss durch die Kühldüse freigegeben und in einer zweiten Stellung des Schaltorgans gesperrt wird. Die erste Stellung des Schaltorgans kann dabei einem ersten Betriebsbereich und die zweite Stellung des Schaltorgans einem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zugeordnet sein. Alternatively or in addition to the switchable cooling channel it can be provided that at least one cooling nozzle is designed to be switchable by a switching element, with the coolant flow through the cooling nozzle being released in a first position of the switching element and blocked in a second position of the switching element. The first position of the switching member can be assigned to a first operating range and the second position of the switching member to a second operating range of the internal combustion engine.

[0015] In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Düsenkanal im Bereich des Kolbenbodens an die Kolbenoberfläche führt. Zumindest eine Restgaskammer kann dabei im Bereich des Kolbenbodens angeordnet sein. In one embodiment of the invention it is provided that at least one nozzle channel leads to the piston surface in the region of the piston head. At least one residual gas chamber can be arranged in the area of the piston head.

[0016] Dies ermöglicht es, die Zündung des Restgases-in einem kolbenmuldennahen Bereich des Brennraumes einzuleiten, beziehungsweise zu unterdrücken. Der Düsenkanal ist dabei vorteilhaft parallel zur Kolbenachse oder parallel zur Bezugsebene ausgebildet oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 75°, insbesondere 60° zur Bezugsebene geneigt angeordnet sein. This makes it possible to initiate or suppress the ignition of the residual gas in an area of the combustion chamber close to the piston bowl. The nozzle channel is advantageously formed parallel to the piston axis or parallel to the reference plane or be arranged inclined at an angle between 30 ° and 90 °, preferably between 45 ° and 75 °, in particular 60 ° to the reference plane.

[0017] In weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Düsenkanal im Bereich des Kolbenrandes oder im Bereich des Feuerstegs an die Kolbenoberfläche geleitet wird. Die Restgaskammer kann dabei nahe dem Bereich des Kolbenrandes oder im Bereich der Ringpartie, vorzugsweise im Bereich des Feuerstegs, angeordnet sein. In further embodiment variants of the invention it is provided that at least one nozzle channel is guided to the piston surface in the area of the piston edge or in the area of the top land. The residual gas chamber can be arranged near the area of the piston edge or in the area of the ring belt, preferably in the area of the top land.

[0018] Vorzugsweise ist zumindest eine Restgaskammer ringsegmentförmig oder ringförmig ausgebildet ist. [0018] At least one residual gas chamber is preferably designed in the shape of a ring segment or ring.

[0019] Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere voneinander getrennte Restgaskammern, vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang des Kolbens verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise können von zumindest einer Restgaskammer mehrere Düsenkanäle ausgehen. Die Düsenkanäle sind dabei beispielsweise radial in Bezug zur Kolbenachse angeordnet. According to one embodiment of the invention it is provided that several separate residual gas chambers are arranged, preferably evenly distributed around the circumference of the piston. A plurality of nozzle channels can preferably emanate from at least one residual gas chamber. The nozzle channels are arranged, for example, radially in relation to the piston axis.

[0020] Somit kann heißes Restgas, welches sich in einer Randzone des Kolbens ansammelt, mit zugemischter Frischluft zünden. Thus, hot residual gas that collects in an edge zone of the piston can ignite with admixed fresh air.

[0021] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the non-restrictive figures. Show in it:

[0022] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer ersten Ausführungsvariante in einer axonometrischen Ansicht, 1 shows a piston according to the invention in a first variant in an axonometric view,

[0023] Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie Il-Il in Fig 6, FIG. 2 shows a piston according to the invention in a second variant in a section along the line II-II in FIG. 6,

[0024] Fig. 3 das Detail Ill aus Fig. 2, 3 shows the detail III from FIG. 2,

[0025] Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer dritten Ausführungsvariante in einer Detaildarstellung analog zu Fig. 3, 4 shows a piston according to the invention in a third variant in a detailed illustration analogous to FIG. 3,

[0026] Fig. 5 den Kolben aus Fig. 1 in einer Detaildarstellung analog zu Fig. 3, 5 shows the piston from FIG. 1 in a detailed illustration analogous to FIG. 3,

[0027] Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in Fig. 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in Fig. 4, 6 shows a piston according to the invention in a variant of the embodiment shown in FIG. 4, in a section along the line VI-VI in FIG. 4,

[0028] Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in Fig. 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt analog zu Fig. 6, und 7 shows a piston according to the invention in a variant of the embodiment shown in FIG. 4, in a section analogous to FIG. 6, and

[0029] Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in Fig. 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt analog zu Fig. 6. 8 shows a piston according to the invention in a variant of the embodiment shown in FIG. 4, in a section analogous to FIG. 6.

[0030] Gleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. The same parts are provided with the same reference numerals in the design variants.

[0031] Die Figuren 1 bis 6 zeigen jeweils einen als Stahlkolben ausgebildeten Kolben 1 für eine nicht weiter dargestellte Brennkraftmaschine, welcher einen Kolbenmantel 2 mit einer Ringpartie 3 und an einer Stirnseite einen brennraumseitigen Kolbenboden 4 aufweist. Zwischen dem Kolbenboden 4 und dem Feuersteg 7 der Ringpartie 3 ist der Kolbenbodenrand 41 ausgebildet. Die Ringpartie 3 weist im Beispiel zwei Kompressionsringnuten 5 zur Aufnahme jeweils eines nicht dargestellten Kompressionsringes und eine Olabstreifringnut 6 zur Aufnahme eines nicht weiter dargestellten Ölabstreifringes auf. Figures 1 to 6 each show a steel piston designed as a piston 1 for an internal combustion engine, not shown, which has a piston skirt 2 with a ring belt 3 and a combustion chamber-side piston head 4 on one end face. The piston crown edge 41 is formed between the piston crown 4 and the top land 7 of the ring belt 3. In the example, the ring belt 3 has two compression ring grooves 5 for receiving a compression ring (not shown) and an oil scraper ring groove 6 for receiving an oil scraper ring (not shown further).

[0032] Zur Aufnahme eines nicht weiter dargestellten Kolbenbolzens weist der Kolben 1 ein Kolbenbolzenlager 8 auf, dessen Längsachse mit Bezugszeichen 8a bezeichnet ist. Die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 fällt mit der Kolbenbolzenachse bzw. der Pleuelschwenkachse des Kolbens 1 zusammen. Eine zur Kolbenachse 1a normale Bezugsebene e verläuft durch die an den Feuersteg 7 grenzende obere Kompressionsringnut 5. To accommodate a piston pin, not shown, the piston 1 has a piston pin bearing 8, the longitudinal axis of which is denoted by reference numeral 8a. The longitudinal axis 8a of the piston pin bearing 8 coincides with the piston pin axis or the connecting rod pivot axis of the piston 1. A reference plane e normal to the piston axis 1a runs through the upper compression ring groove 5 adjoining the top land 7.

[0033] Der Kolben 1 weist eine Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 auf, wobei die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 zumindest eine Restgaskammer 10 aufweist, von welcher mindestens ein Düsenkanal 11 ausgeht, der an der Kolbenoberfläche 40 mündet. Die Mündung 11a des Düsenkanals 11 an der Kolbenoberfläche 40 befindet sich jeweils auf einer dem Kolbenboden 4 zugewandten bzw. dem Kolbenbolzenlager 8 abgewandten Seite einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Bezugsebene es, die durch die an den Feuersteg 7 grenzende erste Kompressionsringnut 5 verläuft. Der Düsenkanal 11 bildet eine Strömungsverbindung zwischen der Restgaskammer 10 und der an den Brennraum grenzenden Kolbenoberfläche 40. Die Restgaskammern 10 bilden Rückhalteräume zum temporären Speichern des Restgases aus. The piston 1 has a combustion accelerator device 9, the combustion accelerator device 9 having at least one residual gas chamber 10 from which at least one nozzle channel 11 emerges, which opens out on the piston surface 40. The mouth 11a of the nozzle channel 11 on the piston surface 40 is located on a side facing the piston crown 4 or facing away from the piston pin bearing 8 of a reference plane normal to the piston axis 1a, which runs through the first compression ring groove 5 adjacent to the top land 7. The nozzle channel 11 forms a flow connection between the residual gas chamber 10 and the piston surface 40 adjoining the combustion chamber. The residual gas chambers 10 form retention spaces for temporarily storing the residual gas.

[0034] Bei den in Fig. 1 und 5 dargestellten Ausführungsvarianten enden die Düsenkanäle 11 im Bereich des Kolbenbodens 4 an der Kolbenoberfläche 40. Im Bereich der Mündungen 11a der Düsenkanäle 11 ist eine kraterförmige Einformung 11b vorgesehen. Durch die Einformung 11b mündet der unter einem Winkel y zwischen 30° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 75°, insbesondere 60° zur Bezugsebene € geneigt ausgebildete Düsenkanal 11 unter einer annähernd 90°- Abrisskante an der Kolbenoberfläche 40. Dadurch wird einerseits vermieden, dass sich ein Brennstrahl am Kolbenboden 4 anlegt und diesen zusätzlich aufheizt. Andererseits kann am Ubergang zwischen Düsenkanal 11 und Kolbenoberfläche 40 auf der gegenüberliegenden Seite keine schneidenartige scharfe Kante entstehen, die eventuell thermisch überfordert werden und abbrennen könnte. In the embodiment variants shown in FIGS. 1 and 5, the nozzle channels 11 end in the region of the piston head 4 on the piston surface 40. In the region of the mouths 11a of the nozzle channels 11, a crater-shaped indentation 11b is provided. Through the indentation 11b, the nozzle channel 11, which is inclined at an angle y between 30 ° and 90 °, preferably between 45 ° and 75 °, in particular 60 ° to the reference plane €, opens under an approximately 90 ° tear-off edge on the piston surface 40 avoided that a focal jet is applied to the piston head 4 and additionally heats it up. On the other hand, at the transition between the nozzle channel 11 and the piston surface 40 on the opposite side, no cutting edge-like sharp edge can arise which could possibly be thermally overwhelmed and burn off.

[0035] Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsvariante, bei denen die Düsenkanäle 11 im Bereich des Kolbenrandes 41 bzw. im Bereich der Kolbenbodens 4 an die Kolbenoberfläche 40 führt. Die Düsenkanäle 11 gehen dabei in einer Richtung parallel zur Kolbenachse 1a von zumindest einer im Bereich des Feuersteges 7 angeordneten Restgaskammer 10 aus. 2 and 3 show an embodiment variant in which the nozzle channels 11 lead to the piston surface 40 in the area of the piston edge 41 or in the area of the piston head 4. The nozzle channels 11 proceed in a direction parallel to the piston axis 1 a from at least one residual gas chamber 10 arranged in the region of the top land 7.

[0036] In den Fig. 4 und 6 bis 8 sind Ausführungsvarianten gezeigt, bei denen von den im Bereich des Feuersteges 7 angeordneten Restgaskammern 10 Düsenkanäle 11 ausgehen, die parallel zur Bezugsebene & ausgebildet sind. 4 and 6 to 8 design variants are shown in which nozzle channels 11 extend from the residual gas chambers 10 arranged in the region of the top land 7 and are formed parallel to the reference plane &.

[0037] Fig. 6 zeigt dabei eine Variante, bei der eine Vielzahl - im dargestellten Beispiel acht Restgaskammern 10 getrennt voneinander und gleichmäßig in Umfangsrichtung des Kolbens 1 im Bereich des Feuerstegs 7 angeordnet sind. Jede Restgaskammer 10 weist im Wesentlichen die Form eines Ringsegmentes auf. Pro Restgaskammer 10 ist hier ein Düsenkanal 11 vorgesehen, welcher - bezogen auf die Kolbenachse 1a - radial nach außen von der Restgaskammer 10 ausgeht und in einer Richtung parallel zur Bezugsebene €& im Bereich des Feuerstegs 7 oberhalb der ersten Kompressionsringnut 5 an der Kolbenoberfläche 40 endet. 6 shows a variant in which a large number - in the example shown, eight residual gas chambers 10 are arranged separately from one another and uniformly in the circumferential direction of the piston 1 in the region of the top land 7. Each residual gas chamber 10 essentially has the shape of a ring segment. For each residual gas chamber 10, a nozzle channel 11 is provided, which - based on the piston axis 1a - starts radially outward from the residual gas chamber 10 and ends in a direction parallel to the reference plane & in the area of the top land 7 above the first compression ring groove 5 on the piston surface 40 .

[0038] Fig. 7 zeigt eine Variante mit einer einzigen ringförmigen Restgaskammer 10, welche sich um den gesamten Umfang um die Kolbenachse 1a erstreckt. Von dieser ringförmigen Restgaskammer 10 gehen mehrere - im gezeigten Ausführungsbeispiel acht - Düsenkanäle 11 aus und münden im Bereich des Feuerstegs 7 an der Kolbenoberfläche 40. 7 shows a variant with a single annular residual gas chamber 10 which extends around the entire circumference around the piston axis 1a. From this ring-shaped residual gas chamber 10, a plurality of nozzle channels 11 - eight in the exemplary embodiment shown - emanate and open in the area of the top land 7 on the piston surface 40.

[0039] In Fig. 8 ist ein Variante der Erfindung dargestellt, bei der zwei Gruppen A, B von Restgaskammern 10 vorgesehen sind. Die erste Gruppe A weist symmetrisch bezüglich der ersten Ebene &+ und zweiten Ebene &» angeordnete ringsegmentförmige Restgaskammern 10 auf, die sich über einen Winkel a unter 30°, hier etwa 20°, erstrecken und von denen jeweils ein einziger Düsenkanal 11 - bezogen auf die Kolbenachse 1a - in radialer Richtung parallel zur Bezugsebene £& ausgeht und an der Kolbenoberfläche 40 des Feuerstegs 7 endet. Die zweite Gruppe B weist symmetrisch bezüglich der der ersten Ebene &, und zweiten Ebene 2 angeordnete ringsegmentförmige Restgaskammern 10 auf, die sich über einen Winkel ß von über 90°, hier etwa 110°, erstrecken. Von den Restgaskammern 10 der zweiten Gruppe B gehen jeweils mehrere - im gezeigten Beispiel drei - Düsenkanäle 11 in radialer Richtung - bezogen auf die Kolbenachse 1a und parallel zur Bezugsebene & aus und enden an der Kolbenoberfläche 40 des Feuerstegs 7 oberhalb der ersten Kompressionsringnut 5. In Fig. 8 a variant of the invention is shown in which two groups A, B of residual gas chambers 10 are provided. The first group A has ring segment-shaped residual gas chambers 10 symmetrically arranged with respect to the first plane & + and second plane & », which extend over an angle a of less than 30 °, here about 20 °, and of which a single nozzle channel 11 - based on the piston axis 1 a - starts in the radial direction parallel to the reference plane £ & and ends at the piston surface 40 of the top land 7. The second group B has ring segment-shaped residual gas chambers 10 which are symmetrically arranged with respect to the first plane & and second plane 2 and extend over an angle β of over 90 °, here about 110 °. From the residual gas chambers 10 of the second group B, several - in the example shown three - nozzle channels 11 extend in the radial direction - based on the piston axis 1a and parallel to the reference plane & and end at the piston surface 40 of the top land 7 above the first compression ring groove 5.

[0040] In den in den Figuren 2 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen ist im Bereich des Kolbenbodens 4 in einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Kühlebene 12a der Kühlkanalanordnung 12 eine erste Kühlgalerie 13 und eine zweiten Kühlgalerie 14 angeordnet. Die erste 13 und die zweite Kühlgalerie 14 können aber auch axial versetzt zueinander im Kolben 1 angeordnet sein. Weiters kann der Kolben 1 auch ohne der zweiten Kühlgalerie 14 ausgebildet sein. Für die erfindungsgemäße indirekte Steuerung der Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 8 ist nur eine einzige steuerbare Kühlgalerie 13 erforderlich. Der Abstand a zwischen der ersten Kühlgalerie 13 und der Restgaskammer 10 beträgt bei Stahlkolben vorteilhafterweise zwischen 1 mm und 3 mm. In the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 8, a first cooling gallery 13 and a second cooling gallery 14 are arranged in the region of the piston head 4 in a cooling plane 12a of the cooling channel arrangement 12 formed normal to the piston axis 1a. The first 13 and the second cooling gallery 14 can, however, also be arranged axially offset from one another in the piston 1. Furthermore, the piston 1 can also be designed without the second cooling gallery 14. For the indirect control of the combustion accelerator 8 according to the invention, only a single controllable cooling gallery 13 is required. The distance a between the first cooling gallery 13 and the residual gas chamber 10 is advantageously between 1 mm and 3 mm in the case of steel pistons.

[0041] Im Ausführungsbeispiel schneidet die Kühlebene 12a den Feuersteg 7 und verläuft durch die Restgaskammern 10. Die erste Kühlgalerie 13 weist im Ausführungsbeispiel einen kreisringförmigen ersten Kühlkanal 131 auf, welcher sich um den vollen Umfang um die Kolbenachse 1a erstreckt. Die zweite Kühlgalerie 14 weist einen kreisringförmigen zweiten Kühlkanal 141 auf, welcher sich ebenfalls um den vollen Umfang erstreckt. In the exemplary embodiment, the cooling plane 12a intersects the top land 7 and runs through the residual gas chambers 10. In the exemplary embodiment, the first cooling gallery 13 has an annular first cooling channel 131 which extends around the full circumference around the piston axis 1a. The second cooling gallery 14 has an annular second cooling channel 141, which also extends around the full circumference.

[0042] Insbesondere bei nicht eben geformter brennraumseitiger Kolbenoberfläche 40 kann es vorteilhaft sein, wenn die Kühlkanäle 131, 141 nicht in einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Kühlebene 12a, sondern entlang einer Fläche ausgebildet sind, welche der brennraumseitigen Kolbenoberfläche 40 nachgeformt ist. In particular, if the piston surface 40 on the combustion chamber side is not flat, it can be advantageous if the cooling channels 131, 141 are not formed in a cooling plane 12a formed normal to the piston axis 1a, but along a surface which is shaped after the piston surface 40 on the combustion chamber side.

[0043] Die erste Kühlgalerie 13 weist im Ausführungsbeispiel zwei erste Eintritte 132 und zwei erste Austritte 133 auf. Die zweite Kühlgalerie 14 ist ebenfalls mit zwei zweiten Eintritten 142 und zwei Austritten 143 versehen. Die zwei ersten Eintritte 132 und die zwei zweiten Eintritte 142 sind im Bereich einer die Kolbenachse 1a beinhaltenden und normal auf die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 ausgebildeten ersten Ebene 1 angeordnet. Die zwei ersten Eintritte 132 sind dabei diametral bezüglich der Kolbenachse 1a und symmetrisch zu einer durch die Kolbenachse 1a und die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 aufgespannten zweiten Ebene 2 angeord-The first cooling gallery 13 has two first inlets 132 and two first outlets 133 in the exemplary embodiment. The second cooling gallery 14 is also provided with two second inlets 142 and two outlets 143. The two first inlets 132 and the two second inlets 142 are arranged in the region of a first plane 1 which contains the piston axis 1 a and is normal to the longitudinal axis 8 a of the piston pin bearing 8. The two first inlets 132 are arranged diametrically with respect to the piston axis 1a and symmetrically to a second plane 2 spanned by the piston axis 1a and the longitudinal axis 8a of the piston pin bearing 8.

net. Analog dazu sind die zwei zweiten Eintritte 142 diametral bezüglich der Kolbenachse 1a und symmetrisch in Bezug auf die zweite Ebene eg» in der ersten Ebene &1 angeordnet. Jeder erste Eintritt 132 weist einen im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse 1a ausgebildeten und mit dem ersten Kühlkanal 131 strömungsverbundenen ersten Eintrittskanal 134 auf. Jeder zweite zweiter Eintritt 142 weist einen im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse 1a ausgebildeten und mit dem zweiten Kühlkanal 141 strömungsverbundenen zweiten Eintrittskanal 144 auf. Die ersten Eintrittskanäle 134 und zweiten Eintrittskanäle 144 sind nach unten - bei in die Brennkraftmaschine eingebautem Kolben 1 also in Richtung des Kurbelraumes 15 - offen ausgebildet und weisen jeweils eine erste Eintrittsöffnung 135 bzw. zweite 145 auf (Fig. 2). net. Analogously to this, the two second inlets 142 are arranged diametrically with respect to the piston axis 1a and symmetrically with respect to the second plane eg »in the first plane & 1. Each first inlet 132 has a first inlet channel 134 which is formed essentially parallel to the piston axis 1 a and is in flow connection with the first cooling channel 131. Each second second inlet 142 has a second inlet channel 144 which is formed essentially parallel to the piston axis 1 a and is in flow connection with the second cooling channel 141. The first inlet channels 134 and second inlet channels 144 are designed to be open at the bottom - when the piston 1 is installed in the internal combustion engine, that is, in the direction of the crank chamber 15 - and each have a first inlet opening 135 or second 145 (FIG. 2).

[0044] Die ersten Austritte 133 und die zweiten Austritte 143 sind im Bereich der zweiten Ebene &2 angeordnet. Die beiden ersten Austritte 133 einerseits und die beiden zweiten Austritte 143 andererseits sind diametral bezüglich der Kolbenachse 1a angeordnet. Jeweils ein erster Austritt 133 und ein zweiter Austritt 143 münden in einen gemeinsamen Drainageschacht 16 des Kolbens 1 ein, dessen Schachtachse 16a im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Kolbenachse 1a verläuft. Der Drainageschacht 16 ist nach unten - also in Richtung des Kurbelraumes 15 - offen ausgebildet. Die Austrittsöffnung 17 des Drainageschachtes 16 befindet sich im Ausführungsbeispiel im Bereich des Kolbenbolzenlagers 8. The first outlets 133 and the second outlets 143 are arranged in the region of the second level & 2. The two first outlets 133 on the one hand and the two second outlets 143 on the other hand are arranged diametrically with respect to the piston axis 1a. In each case a first outlet 133 and a second outlet 143 open into a common drainage shaft 16 of the piston 1, the shaft axis 16a of which runs parallel to the piston axis 1a in the exemplary embodiment shown in FIG. 2. The drainage shaft 16 is designed to be open at the bottom - that is, in the direction of the crank chamber 15. The outlet opening 17 of the drainage shaft 16 is located in the exemplary embodiment in the area of the piston pin bearing 8.

[0045] In Fig. 2 sind erste Kühldüsen 18 und zweite Kühldüsen 19 angedeutet, welche im nicht dargestellten Zylindergehäuse oder im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Jede Kühldüse 18, 19 ist einem Eintrittskanal 134, 144 zugeordnet. Die Spritzachsen 18a, 19a der Kühldüsen 18, 19 sind parallel zur Kolbenachse 1a und fluchtend mit der Kanalachse 134a, 144a des jeweiligen Eintrittskanal 134, 144 ausgebildet, so dass das Kühlmedium - in der Regel Motoröl - in die in Richtung des Kurbelraumes 15 offenen Eintrittskanäle 134, 144 gespritzt wird. Im Ausführungsbeispiel sind zumindest die ersten Kühldüsen 18 schaltbar ausgebildet, sodass einerseits die Kühlung des Kolbens 1 an den jeweiligen Bedarf, beispielsweise in Abhängigkeit des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine, angepasst werden kann, und andererseits die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 aktiviert oder deaktiviert werden kann. Zumindest ein erster Kühlkanal 13 ist schaltbar ausgeführt. Die entsprechenden Schaltorgange zum Sperren oder Freigeben des Kühlmittelstromes durch den ersten Kühlkanal sind in Fig. 2 mit Bezugszeichen 20 bezeichnet. In Fig. 2, first cooling nozzles 18 and second cooling nozzles 19 are indicated, which are arranged in the cylinder housing (not shown) or in the crankcase of the internal combustion engine. Each cooling nozzle 18, 19 is assigned to an inlet channel 134, 144. The spray axes 18a, 19a of the cooling nozzles 18, 19 are parallel to the piston axis 1a and aligned with the channel axis 134a, 144a of the respective inlet channel 134, 144, so that the cooling medium - usually engine oil - enters the inlet channels open in the direction of the crankcase 15 134, 144 is injected. In the exemplary embodiment, at least the first cooling nozzles 18 are designed to be switchable, so that, on the one hand, the cooling of the piston 1 can be adapted to the respective requirement, for example depending on the operating range of the internal combustion engine, and, on the other hand, the combustion accelerator 9 can be activated or deactivated. At least one first cooling channel 13 is designed to be switchable. The corresponding switching devices for blocking or releasing the flow of coolant through the first cooling channel are denoted by reference numeral 20 in FIG. 2.

[0046] Mittels des Schaltorganes 20 wird der Kühlmittelstrom in der ersten Kühldüse 18 gesteuert, und dadurch indirekt die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 thermisch aktiviert oder deaktiviert, indem das in den Restgaskammern 10 enthaltene Restgas abwechselnd erwärmt 0der abgekühlt wird. Ein Abkühlen der Restgaskammer 10 bewirkt, dass die Restgas-temperatur unter eine notwendige Reaktionstemperatur gesenkt wird. By means of the switching element 20, the coolant flow in the first cooling nozzle 18 is controlled, and thereby indirectly the combustion accelerator 9 is thermally activated or deactivated by alternately heating or cooling the residual gas contained in the residual gas chambers 10. A cooling of the residual gas chamber 10 has the effect that the residual gas temperature is lowered below a necessary reaction temperature.

Claims

1. Piston (1), in particular steel piston, for an internal combustion engine, with a piston head (4) and a ring belt (3) adjoining a piston head edge (41) of the piston head (4), which has a top land (7), at least one compression ring groove ( 5) and at least one oil scraper ring groove (6), the compression ring groove (5) being arranged between the piston head edge (41) and the oil scraper ring, the piston (1) having at least one residual gas chamber (10), of which at least one preferably drilled nozzle channel (11) which leads to the piston surface (40) on a side facing away from a piston pin bearing (8) of a reference plane (e) which is normal to the piston axis (1a) and runs through the compression ring groove (5), characterized in that the piston (1) has at least one cooling gallery (13) with at least one cooling channel (131) which is arranged in the region of the residual gas chamber (10), the cooling channel (131) being designed to be switchable.

2. Piston (1) according to claim 1, characterized in that the cooling channel (131) has an inlet (132) on the crankcase side for a coolant.

3. Piston (1) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one nozzle channel (11) leads to the piston surface (40) in the region of the piston head (4).

4. Piston (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one nozzle channel (11) leads to the piston surface (40) in the region of the piston edge (41).

5. Piston (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one nozzle channel (11) leads to the piston surface (40) in the region of the top land (7).

6. Piston (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one nozzle channel (11) is formed parallel to the reference plane (€).

7. Piston (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one nozzle channel (11) is formed parallel to the piston axis (1a).

8. Piston (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one nozzle channel (11) is inclined at an angle (y) <> 90 ° to the reference plane (e), preferably the angle (y) between 45 ° and 75 °, preferably about 60 °.

9. Piston (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one residual gas chamber (10) is arranged in the region of the piston head (4).

10. Piston (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one residual gas chamber (10) is arranged in the region of the piston edge (41).

11. Piston (1) according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one residual gas chamber (10) is arranged in the area of the ring belt (3), preferably in the area of the top land (7).

12. Piston (1) according to one of claims 1 to 11, characterized in that at least one residual gas chamber (10) is formed in the shape of a ring segment or ring.

13. Piston (1) according to one of claims 1 to 12, characterized in that several separate residual gas chambers (10), preferably evenly distributed around the circumference of the piston (1), are arranged.

14. Piston (1) according to one of claims 1 to 13, characterized in that several nozzle channels (11) extend from at least one residual gas chamber (10).

15. Internal combustion engine with at least one piston (1) reciprocating in a cylinder for driving a crankshaft arranged in a crank chamber (15), according to one of claims 1 to 14, with at least one cooling gallery having an inlet (132) for a coolant (13), characterized in that a cooling nozzle (18) is provided in the cylinder or in the crank chamber (15) for the supply of the cooling gallery (13) per inlet (132),

wherein preferably at least one cooling nozzle (18) is arranged in alignment with the inlet (132).

16. Internal combustion engine according to claim 15, characterized in that at least one cooling nozzle (18) is designed to be switchable by a switching element (20), wherein a coolant flow through the cooling nozzle (18) can be released in a first position of the switching element (20) and in a second position Position of the switching element (20) can be locked.

17. The method for operating an internal combustion engine with at least one cooling gallery (13) which is supplied with coolant via at least one switchable cooling nozzle (18), according to claim 15 or 16, characterized in that the coolant flow through the engine in at least a first operating range Cooling nozzle (18) is released and blocked in a second operating range.

In addition 3 sheets of drawings