BR112014021986B1

BR112014021986B1 - Pistão de metal leve fundido, particularmente um pistão de alumínio

Info

Publication number: BR112014021986B1
Application number: BR112014021986-9A
Authority: BR
Inventors: Ralf Braig; Michael Marquardt; Jochen Adelmann
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2021-10-05
Also published as: CN104160127A; JP2015511674A; CN104160127B; BR112014021986A2; EP2823166A1; US20150027400A1; US10655561B2; DE102012203570A1; WO2013131937A1

Abstract

PISTÃO DE METAL LEVE FUNDIDO, PARTICULARMENTE UM PISTÃO DE ALUMÍNIO. A presente invenção refere-se a um pistão de metal leve fundido (1), particularmente um pistão de alumínio (1), para um motor de combustão interna (16), que tem uma coroa de pistão (2) e que tem uma saia de pistão (3) que está contígua à dita coroa de pistão e que tem duas paredes de saia (4, 5) dispostas no lado de pressão (DS) e no lado de contrapressão (GDS) e que tem duas paredes de caixa (6, 7) que conectam as ditas paredes de saia (4, 5), cujas paredes de caixa se afunilam conicamente uma em direção à outra na direção da coroa de pistão (2). Aqui, é essencial à invenção - que o pistão (1) tenha um duto de resfriamento circundante anularmente (9) e - que uma espessura (d) da coroa de pistão (2) seja no máximo 4,5 mm. Desse modo, é possível produzir um pistão leve e de alto desempenho (1).

Description

[001] A presente invenção refere-se a um pistão de metal levefundido, particularmente um pistão de alumínio, para um motor de combustão interna com uma coroa de pistão e uma saia de pistão que está contígua à dita coroa de pistão de acordo com o preâmbulo da Reivindicação 1. A invenção refere-se adicionalmente a um motor de combustão interna equipado com tal pistão.

[002] A partir do documento No. DE 10 2007 020 447 A1, umpistão genérico para um motor de combustão interna é conhecido, no qual a parede de saia disposta no lado de pressão é mais curta na direção circunferencial do pistão do que a parede de saia no lado de contrapressão. A intenção é para o efeito de materializar que quase nenhuma rachadura ocorre na região da conexão entre as paredes de caixa e a saia no lado de pressão.

[003] A partir do documento No. DE 10 2009 032 379 A1, umpistão genérico para um motor de combustão interna com uma coroa de pistão, um solo superior com uma região de anel circunferencial e com uma saia de pistão é conhecido, que compreende duas paredes de saia dispostas no lado de pressão e no lado de contrapressão e duas paredes de caixa que conectam essas paredes de saias. A parede de saia disposta no lado de pressão nesse caso é mais curta vista na direção circunferencial do pistão do que a parede de saia disposta no lado de contrapressão. Para reduzir o carregamento do pistão, as paredes de caixa no lado de pressão se estendem linear e obliquamente, sendo que o espaçamento das paredes de caixa na região dos conectores de pino é maior do que na região da parede de saia no lado de pressão.

[004] Há uma tendência geral do desenvolvimento de motor atual na direção de uma redução de CO2, que é implantada através de uma forma da assim chamada redução de tamanho. Já que, nesse caso, a massa oscilante dos pistões em motores de combustão interna também desempenha um papel, pistões de construção cada vez mais leves são empregados que podem, adicionalmente, resistir a cargas termomecânicas maiores. No caso de pistões de construção leves, o principal objetivo consiste em incorporar o projeto de uma maneira de carga otimizada a fim de evitar formações de rachaduras em localizações altamente carregadas, tal como, por exemplo, a coroa de pistão ou as paredes de caixa altamente carregadas no lado de pressão e simultaneamente fazer jus às demandas para a redução de peso significativa e por causa disso, uma redução das emissões de CO2. Simultaneamente, tais pistões de construção leve têm que ter características de função importantes adicionais tais como, por exemplo, propriedade antigripagem, atrito de saia baixo e operação suave.

[005] A presente invenção lida com o problema de relatar umamodalidade melhorada para um pistão de construção leve do tipo genérico, que é caracterizado particularmente pelo peso reduzido e capacidade de carga aumentada.

[006] De acordo com a invenção, esse problema é resolvidoatravés da matéria da Reivindicação independente 1. As modalidades vantajosas são a matéria das reivindicações dependentes.

[007] A presente invenção baseia-se na ideia geral de poderresfriar melhor e, por causa disso, construir um pistão de metal leve fundido ainda mais leve no peso, particularmente um pistão de alumínio, para um motor de combustão interna em comparação aos pistões de alumínio fundidos conhecidos até agora a partir da técnica anterior através de um canal de resfriamento adicional a fim de reduzir assim o trabalho exigido para o movimento do pistão. O pistão de metal leve fundido, particularmente o pistão de alumínio, nesse caso, compreende uma coroa de pistão voltada para uma câmara de combustão da maneira conhecida e uma saia de pistão que está contígua à dita coroa de pistão, que tem duas paredes de saia dispostas no lado de pressão e no lado de contrapressão para orientação e duas paredes de caixa que conectam essas paredes de saia. As paredes de caixa, nesse caso, são dispostas obliquamente uma à outra e se afunilam conicamente uma em direção à outra na direção da coroa de pistão. Tal pistão de metal leve já que conhecido, por exemplo, a partir do documento No. DE 10 2007 020 447 A1 sob o nome Mahle Evotec®. De acordo com a invenção, tal pistão de metal leve agora adicionalmente e pela primeira vez tem um canal de resfriamento circundante anularmente, que torna possível o resfriamento do pistão particularmente em uma região de transição entre a coroa de pistão e uma região de anel circundante, em que uma espessura da coroa de pistão é adicionalmente limitada a um máximo de 4,5 mm. Através do canal de resfriamento circundante anularmente e da redução da espessura da coroa de pistão, o pistão de metal leve fundido de acordo com a invenção pode ser significativamente reduzido em relação a seu peso em comparação aos pistões conhecidos anteriormente com o canal de resfriamento, em que a coroa de pistão reduzida em relação a sua espessura torna possível a dissipação de calor melhor e, por causa disso, também o resfriamento melhor por meio de um resfriamento por aspersão conhecido. O canal de resfriamento circundante anularmente garante o resfriamento exigido na região de anel que, no caso de pistões de metal leve anteriormente conhecidos, por causa do canal de resfriamento ausente não foi possível dessa forma. Por causa das paredes de caixa posicionadas obliquamente, a resistência exigida pode ser alcançada sem problemas apesar da coroa de pistão mais fina, em que os limites da espessura da coroa de pistão são usualmente definidos pelo respectivo processo de fundição empregado. A seguir, apenas o termo "pistão" é usado como um termo genérico para pistões de metal leve fundido, particularmente pistões de alumínio.

[008] Em um desenvolvimento adicional vantajoso da solução deacordo com a invenção, a espessura da coroa de pistão equivale a um máximo de 3,5 mm, preferencialmente ainda somente 2 ou 3 mm. Tal coroa de pistão fina é significativamente reduzida em relação a seu peso em comparação às coroas de pistão conhecidas a partir da técnica anterior até agora, em que, por causa da espessura menor, um resfriamento por aspersão que atua a partir de baixo garante a dissipação de calor rápida e, assim, o resfriamento eficaz da coroa de pistão.

[009] Praticamente, o canal de resfriamento é produzido por meiode um núcleo de sal. Tais núcleos de sal já foram empregados por muitos anos durante a fundição de pistões de metal leve/pistões de alumínio e são, portanto, um meio testado e aprovado para produzir tais estruturas de canal de resfriamento oco. Alternativamente, é obviamente também concebível que o canal de resfriamento é produzido, por exemplo, por meio de um núcleo de areia. Através de tais núcleos de sal ou areia, estruturas de canal de resfriamento comparativamente finas podem também ser criadas, de modo que o canal de resfriamento de acordo com a invenção possa ser produzido individualmente, por exemplo, com diâmetro variável.

[0010] Em uma modalidade adicional vantajosa da solução deacordo com a invenção, as duas paredes de caixa se estendem uma em direção à outra na direção da parede de saia no lado de pressão. Um lado de pressão e um lado de contrapressão são distinguidos com o pistão de acordo com a invenção pela razão de que sempre que, particularmente, quando a pressão de gás que é criada durante a ignição na for câmara de combustão atua na coroa de pistão, o pistão é pressionado ao lado ou inclinado através da haste de conexão posicionada obliquamente com a consequência de que uma das duas paredes de saia em sua superfície corrediça é pressionada contra a parede interna do furo de cilindro. Essa parede de saia é descrita como parede de saia disposta no lado de pressão. Através do curso das duas paredes de caixa de acordo com a invenção, o risco de formação de rachadura não pode ser somente reduzida nas paredes de caixa, mas, se apropriado, também nas paredes de saia contíguas. A parede de saia disposta no lado de pressão, nesse caso, pode ser projetada mais fina em sua região intermediária do que em suas regiões de borda designadas para as paredes de caixa, que, por exemplo, pode ainda ir tão longe que a parede de saia disposta no lado de pressão seja projetada até 50% mais fina em sua região intermediária do que em suas regiões de borda designadas para as paredes de caixa, como resultado do qual, por sua vez, uma redução substancial da massa movida do pistão de acordo com a invenção pode ser alcançada. Aqui, é vantajoso quando o aumento da espessura da parede de saia de sua região intermediária para suas regiões de borda externas se estende continuamente, como um resultado do qual o carregamento de estresse dentro da parede de haste é distribuído igualmente.

[0011] A presente invenção baseia-se adicionalmente na ideiageral de equipar um motor de combustão interna com pelo menos um tal pistão e fornecendo adicionalmente pelo menos dois bocais de aspersão para o resfriamento de pistão para cada pistão de metal leve, dos quais um é direcionado a uma entrada/influxo do canal de resfriamento do pistão e o outro na coroa de pistão. Um bocal de aspersão transfere o fluido de resfriamento, que é um óleo de motor, para o canal de resfriamento em que o mesmo contribui particularmente para o resfriamento da região de anel do pistão de metal leve/pistão de alumínio. O outro bocal de aspersão é preferencialmente direcionado à coroa de pistão e resfria, assim, a mesma através da aspersão direta com óleo a partir do fundo. Por causa da espessura pequena da coroa de pistão, a mesma pode ser resfriada eficazmente já que o calor que é criado na câmara de combustão penetra a coroa de pistão de modo comparativamente rápido e pode, assim, ser dissipado pelo óleo aspergido. Obviamente, é também concebível aqui que a coroa de pistão é adicionalmente resfriado através do óleo que é aspergido para fora de um virabrequim rotativo, particularmente desde que o virabrequim imirja em um depósito de óleo do cárter. Contudo, um motor de combustão interna com um pistão comparativamente leve, mas ainda eficaz pode ser, assim, criado que exige significativamente menos energia para o movimento recíproco translatório dos pistões por causa de seu peso reduzido.

[0012] Os recursos e vantagens importantes adicionais dainvenção são obtidos a partir das sub-reivindicações, a partir dos desenhos e a partir da descrição de figura associada com o auxílio dos desenhos.

[0013] Deve ser entendido que os recursos mencionados acima eainda a serem explicados a seguir não podem ser somente usados na respectiva combinação ou por eles mesmos sem se afastar do escopo da presente invenção.

[0014] As modalidades exemplificativas preferências da invençãosão mostradas nos desenhos e são explicadas em mais detalhes na descrição a seguir, em que caracteres de referência iguais referem-se a componentes iguais ou similares ou funcionalmente iguais.

[0015] É mostrado, em cada caso esquematicamente,

[0016] Figura 1 um pistão de acordo com a invenção em uma vista lateral,

[0017] Figura 2 uma vista do pistão de acordo com a invenção apartir de baixo,

[0018] Figura 3 uma representação seccional ao longo do plano deseção A-A,

[0019] Figura 4 uma representação seccional através do pistão deacordo com a invenção ao longo do plano de seção B-B.

[0020] De acordo com as Figuras 1 a 4, um pistão de metal levefundido 1 de acordo com a invenção, particularmente um pistão de alumínio 1, 1', para um motor de combustão interna 16 (consulte a Figura 3) compreende uma coroa de pistão 2 voltada para uma câmara de combustão 17 e uma saia de pistão 3 que está contígua à mesma. A saia de pistão 3 tem duas paredes de saia 4, 5 dispostas no lado de pressão DS e o contralado GDS assim como duas paredes de caixa 6, 7 que conectam essas paredes de saia 4, 5. As paredes de caixa 6, 7, nesse caso, são alinhadas conicamente uma à outra na direção da coroa de pistão conforme é claramente mostrado de acordo com a Figura 4, o que significa que as mesmas se afunila uma em direção à outra na direção da coroa de pistão 2. Através dessa posição oblíqua das duas paredes de caixa 6, 7, a resistência adequada do pistão de metal leve 1 pode ser alcançada apesar de uma espessura reduzida d da coroa de pistão 2. Na região das paredes de caixa 6, 7, conectores de pino 8, cada um para conectar o pistão 1 a uma haste de conexão que não é mostrada, são adicionalmente fornecidos. De acordo com a invenção, o pistão 1 compreende agora um canal de resfriamento pelo menos parcialmente circundante anularmente 9 que, de acordo com as Figuras 3 e 4, resfria adicional e particularmente uma região de transição entre a coroa de pistão 2 e uma região de anel 10. Na região da região de anel 10, por exemplo, um solo superior circundante 11 assim como vários sulcos de anel 12 para receber, por exemplo, anéis de pistão que não são mostrados são fornecidos. Como um recurso adicional que é substancial à invenção, a espessura d da coroa de pistão 2 equivale a um máximo de 4,5 mm. A espessura d da coroa de pistão 2 equivale preferencialmente a um máximo de 3,5 mm, preferencialmente ainda um máximo de 3 mm ou um máximo de 2 mm. Através da combinação de acordo com a invenção de acordo com a coroa de pistão comparativamente fina 2 com o canal de resfriamento adicionalmente disposto 9, isto é, um pistão particularmente leve 1 que é reduzido em relação a seu peso pode ser criado, que por causa da massa movida inferior pode ser operado mais energicamente eficaz.

[0021] Olhando para a Figura 2, é evidente que a parede de saia 4disposta no lado de pressão DS é projetada mais curta na direção circunferencial do pistão 1 do que a parede de saia 5 disposta no lado de contrapressão GDS, em que as duas paredes de caixa 6, 7 se afunilam conicamente uma em direção à outra na direção da parede de saia 4 no lado de pressão. Isso minimiza particularmente o risco de uma formação de rachadura na região das paredes de caixa 6, 7 e na região das paredes de saia 4, 5. As duas paredes de caixa 6, 7, nesse caso, se estendem na direção da parede de saia 5 no lado de contrapressão uma afastada da outra, em que obviamente um afunilamento uma em direção à outra das duas paredes de caixa 6, 7 na direção da parede de saia 5 no lado de contrapressão é também concebível, de modo que, nesse caso, as duas paredes de caixa 6, 7 são dispostas biconvexamente uma à outra.

[0022] O canal de resfriamento 9 durante a fundição do pistão demetal leve 1, particularmente do pistão de alumínio 1' pode ser produzido por meio de um núcleo de sal ou também por meio de um núcleo de areia da maneira usual. A fim de poder alimentar o óleo de resfriamento ao canal de resfriamento 9 ou remover o óleo de resfriamento do mesmo novamente, o mesmo tem um influxo 13 e um efluxo 14 que são mostrados na Figura 2. Aqui, o influxo e o efluxo 13, 14 podem ser obviamente dispostos ao contrário. O refrigerante a ser alimentado ao canal de resfriamento 9 para o resfriamento de pistão, por exemplo, óleo de motor pode, por exemplo, ser expelido por dois bocais de aspersão 15 e 15', em que o bocal de aspersão 15 é direcionado, por exemplo, no influxo 13 do canal de resfriamento 9 enquanto que o bocal de aspersão 15' é direcionado diretamente em um lado inferior da coroa de pistão 2, resfriando diretamente o mesmo por causa disso. Por causa da espessura menor d da coroa de pistão 2, o calor transmitido para fora da câmara de combustão 17 pode ser dissipado de modo comparativamente rápido e, por causa disso, o pistão 1, 1' eficazmente resfriado. Aqui, é obvia e adicionalmenteconcebível que um virabrequim que gira abaixo do pistão 1, 1' respinga óleo no lado inferior da coroa de pistão 2, resfriando adicionalmente assim o mesmo.

[0023] Em suma, os recursos substanciais do pistão 1, 1' deacordo com a invenção podem ser caracterizados conforme segue: através de uma coroa de pistão extremamente fina 2 combinada com um canal de resfriamento adicionalmente disposto 9, o pistão 1, 1' de acordo com a invenção pode ser produzido com maior resistência apesar do peso inferior. As paredes de caixa obliquamente posicionadas 6, 7 provocam a rigidez e a resistência exigidas para uma vida útil longa da coroa de pistão e tornam possível, assim, espessuras de parede de coroa baixas.

Claims

1. Pistão de metal leve fundido (1), tal como um pistão de alumínio (1'), tendo uma haste de conexão para um motor de combustão interna (16) compreendendo uma coroa de pistão (2) e uma saia de pistão (3) que está contígua à coroa de pistão (2), a saia de pistão (3) incluindo duas paredes de saia (4, 5) dispostas no lado de pressão (DS) e no lado de contrapressão (GDS), respectivamente, uma primeira parede de caixa (6) que conecta a parede de saia (4) disposta no lado de pressão (DS) até a parede de saia (5) disposta no lado de contrapressão (GDS), a primeira parede de caixa (6) tendo um primeiro conector de pino posicionado entre uma porção lateral de pressão da primeira parede de caixa (6) e uma porção lateral de contrapressão da primeira parede de caixa (6)uma segunda parede de caixa (7) conectando a parede de saia (4) disposta no lado de pressão (DS) até a parede de saia (5) disposta no lado de contrapressão (GDS), a segunda parede de caixa (7) tendo um segundo conector de pino posicionado entre uma porção lateral de pressão da segunda parede de caixa (7) e uma porção lateral de contrapressão da segunda parede de caixa (7),um canal de resfriamento circundante anularmente (9), caracterizado pelo fato de que uma espessura (d) da coroa de pistão (2) equivale a um máximo de 4,5 mm,em que a porção lateral de pressão da primeira parede de caixa (6) e a porção lateral de pressão da segunda parede da caixa (7) afunilam-se conicamente uma em direção a outra na direção da parede de saia (4, 5) disposta na porção lateral de pressão e afunilam- se conicamente uma em direção a outra em direção à coroa de pistão (2);em que a porção lateral de contrapressão da primeira parede de caixa (6) e a porção lateral de contrapressão da segunda parede de caixa (7) afunilam-se conicamente a partir de suas respectivas primeira e segunda porções terminais uma em direção à outra na direção da coroa de pistão (2),a parede de saia (4,5) disposta no lado de pressão (DS) na direção circunferencial do pistão (1) é projetada mais curta do que a parede de saia (5) disposta no lado de contrapressão (GDS), eem que a primeira e a segunda paredes são separadas uma da outra por uma distância na direção radial da haste de conexão e em que a distância entre a porção lateral de pressão da primeira parede de caixa(6) no primeiro conetctor de pino e o lado da pressão da segunda parede de caixa (7) no segundo conector de pino é maior que a distância entre a porção lateral da contrapressão da primeira parede de caixa (6) no primeiro conector de pino e a porção lateral da contrapressão da segunda parede de caixa (7) no segundo conector de pino.

2. Pistão, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espessura (d) da coroa de pistão (2) equivale a um máximo de 3,5 mm.

3. Pistão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a parede de saia (4) disposta no lado de pressão (DS) tem uma espessura mais fina em uma direção circunferencial do pistão (1) do que a parede de saia (5) disposta no lado de contrapressão (GDS) tem uma espessura mais fina em uma região circunferencialmente média do que nas regiões terminais circunferenciais acopladas às duas paredes de caixa (6, 7) na lateral de pressão.

4. Pistão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda paredes de caixa (6,7) estão em um arranjo biconvexo.

5. Pistão, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o canal de resfriamento (9) é formado por meio de pelo menos um núcleo de areia ou sal.

6. Motor de combustão interna (16) caracterizado pelo fato de que é dotado de pelo menos um pistão de metal leve fundido (1), particularmente dotado de pelo menos um pistão de alumínio (1'), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

7. Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente dois bocais de aspersão (15, 15') para o resfriamento de pistão, em que um bocal de aspersão (15) é direcionado em um influxo (13) do canal de resfriamento (9) e o outro bocal de aspersão (15') é direcionado à para o lado inferior da coroa de pistão (2) de frente para a saia de pistão (3).