DE10129046A1

DE10129046A1 - Lightweight piston for IC engine has a void filled with a lighter material than that of the piston

Info

Publication number: DE10129046A1
Application number: DE2001129046
Authority: DE
Inventors: Wilfried Heinrich; Ralf Buschbeck; Walter Braunauer; Matthias Laqua
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: DE10129046B4

Abstract

A lightweight piston for an IC engine has a void around the inside of the top of the piston and filled with a lighter material (6) than that of the piston. The infill ensures that the strength of the piston is not reduced while the inertial mass is reduced. The void can be filled after the piston is cast. Alternately a lightweight element is positioned in the casting mould prior to pouring. The lightweight material can be aluminium, aluminium alloy and can be applied as a foam material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. The invention relates to a piston, in particular a piston for a Internal combustion engine, according to the features of the preamble of claim 1.

Bei beweglichen Kolben, insbesondere bei Kolben für moderne Brennkraftmaschinen, besteht grundsätzlich ein Gewichtsproblem, da die bewegte Masse des Kolbens beschleunigt und abgebremst werden muß. Ziel ist es daher, den Kolben in Abhängigkeit seiner Einsatzbedingungen möglichst leicht, d. h. mit geringem Gewicht, zu konstruieren, ohne daß die Festigkeit und die Betriebssicherheit des Kolbens darunter leidet. For movable pistons, especially for modern pistons Internal combustion engines, there is basically a weight problem because of the moving mass of the piston accelerated and braked. The aim is therefore to put the piston in Dependency of its operating conditions as easily as possible, d. H. light weight, too construct without sacrificing the strength and operational safety of the piston suffer from.

Zur Gewichtsreduzierung von Kolben ist schon vorgeschlagen worden, in dem Bereich hinter dem Ringfeld, insbesondere umlaufend, Freiräume vorzusehen, in denen sich kein Kolbenmaterial befindet. Dies bringt zwar, gerade wenn der Kolben aus Stahl oder einem vergleichbaren Material besteht, eine gewisse Reduzierung des Gewichtes; gleichzeitig leidet aber die Festigkeit des gesamten Bodens aufgrund des Vorhandenseins der Freiräume. Außerdem stellt es sich bei dem Gießvorgang des Kolbens als aufwendig dar, ein hintergossenes Ringfeld zu realisieren. To reduce the weight of pistons has already been proposed in the To provide space behind the ring field, in particular all around, in which there is no piston material. Although this brings, just when the piston is out Steel or a comparable material exists, a certain reduction in the weight; at the same time, the strength of the entire floor suffers due to the Presence of free spaces. It also turns out during the casting process Pistons as complex to realize a back-cast ring box.

Weiterhin ist zwecks Gewichtseinsparung schon vorgesehen worden, den Innenbereich des Kolbens in Richtung des Kolbenbodens weiter zu vergrößern, um aufgrund dieser nachgezogenen Innenkontur des Kolbens Material einzusparen. Dies funktioniert allerdings nur bis zu einer gewissen Mindeststärke des Kolbenbodens, da dieser aufgrund der Verbrennungsdrücke im Brennraum der Brennkraftmaschine extrem belastet ist. Von daher führt zwar die nachgezogene Innenkontur auch zu einer Gewichtsreduzierung, die jedoch im Bezug auf das Gesamtgewicht des Kolbens, ebenso wie bei dem hintergossenen Ringfeld, nicht sonderlich ins Gewicht fällt. Furthermore, in order to save weight, the To further enlarge the inner area of the piston in the direction of the piston crown due to this traced inner contour of the piston to save material. This works only up to a certain minimum thickness of the piston crown, because this extremely due to the combustion pressures in the combustion chamber of the internal combustion engine is burdened. Therefore, the traced inner contour leads to one Weight reduction, but in relation to the total weight of the piston, just as with the back-cast ring field, is not particularly important.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile wirksam vermieden werden. The invention is therefore based on the object of providing a piston with which the disadvantages described above are effectively avoided.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. This object is solved by the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß im Kolbenboden zumindest ein Bereich (kein Hohlraum) vorhanden ist, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden bzw. der gesamte Kolben besteht. Dadurch wird ein Kolbenboden aus zumindest zwei von einander unterschiedlichen Materialien realisiert, wobei das Material, das nicht direkt mit der Lauffläche oder der Verbrennungsfläche des Kolbens in Verbindung steht, deutlich leichter ist als das umgebende Material. Damit wird die Festigkeit (hohe Formstabilität und hohe Steifigkeit) und Belastbarkeit des Kolbens beibehalten und gleichzeitig eine deutliche Gewichtsreduzierung erzielt, da die Kräfteverteilungen, wie sie bei einem Kolben aus einem einzigen Material erfolgt, beibehalten werden können. In besonders vorteilhafter Weise sind die Bereiche derart im Kolbenboden angeordnet, daß die Festigkeit des Kolbenbodens zumindest weitestgehend erhalten bleibt. Dabei sollte angestrebt werden, daß die Bereiche aus dem Material geringerer Dichte in Richtung Verbrennungsbereich und Laufbereich des Kolbens nicht frei liegen und in einer gewissen Mindeststärke von dem gesamten Kolbenmaterial umgeben sind. In Richtung des Innenbereiches können diese Bereiche auch von Kolbenmaterial umgeben sein oder sogar frei liegen, wodurch eine weitere Gewichtsreduzierung erzielt wird. Dabei können der Bereich oder die Bereiche, die aus dem Material mit einem geringeren spezifischen Gewicht bestehen, individuell den geometrischen Verhältnissen des Kolbens angepaßt werden, so daß nach wie vor die erforderliche Freiheit bei der Konstruktion des Kolbens gegeben ist. According to the invention it is provided that at least one area (no Cavity) is present, which consists of a material whose specific Weight is less than the material from which the piston crown or the whole Piston exists. This makes a piston crown from at least two of each other realized different materials, the material that is not directly related to the Running surface or the combustion surface of the piston is clearly connected is lighter than the surrounding material. This increases the strength (high dimensional stability and high rigidity) and resilience of the piston while maintaining a achieved significant weight reduction, as the force distributions, as in one Pistons made of a single material can be maintained. In the regions are particularly advantageously arranged in the piston crown in such a way that the strength of the piston crown is at least largely preserved. there should be aimed at that the areas of the material of lower density in In the direction of the combustion area and the running area of the piston are not exposed and in a certain minimum thickness are surrounded by the entire piston material. In In the direction of the inner area, these areas can also be of piston material be surrounded or even exposed, which further reduces weight becomes. The area or areas that are made of the material with a lower specific weight, individually the geometric Ratios of the piston are adjusted so that still the required freedom is given in the construction of the piston.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Material des zumindest einen Bereiches Aluminium oder ein Aluminiumschaum, wobei insbesondere bei einem aus Stahl bestehenden Kolben eine deutliche Gewichtsreduzierung erzielbar ist. Gerade der Aluminiumschaum hat bei äußerst geringem spezifischen Gewicht, im Vergleich zu Stahl, den außerordentlichen Vorteil, daß deutlich Gewicht reduziert wird und gleichzeitig die Festigkeit im Kolbenboden erhalten bleibt. In a development of the invention, the material of the at least one area Aluminum or an aluminum foam, especially one made of steel existing pistons a significant weight reduction can be achieved. Just that Aluminum foam has an extremely low specific weight, compared to steel, the extraordinary advantage that weight is significantly reduced and at the same time the strength in the piston crown is retained.

In Weiterbildung der Erfindung wird der zumindest eine Bereich durch zumindest ein separates Bauteil gebildet, wobei dieses separate Bauteil vor dem Gießen des Kolbens in eine Gießform einbringbar ist. So kann beispielsweise ein aus Aluminium oder Aluminiumschaum bestehendes separates Bauteil, analog zu einem Salzkern, in der Gießform des Kolbens angeordnet und beim anschließenden Gießvorgang mit Gießschmelze (z. B. Stahl) umgossen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das separate Bauteil in dem Kolben nach dem Gießen verbleiben kann und nicht, wie etwa ein Salzkern, nach Einbringung von Bohrungen ausgespült werden muß. Denkbar ist aber auch, zunächst beim Gießen einen Salz- oder Sandkern einzusetzen, der nach dem Gießen ausgespült wird und einen Hohlraum bildet. In diesen Hohlraum wird dann anschließend durch die Ausspülöffnungen das Material geringerer Dichte eingebracht. In a development of the invention, the at least one area is replaced by at least one separate component is formed, this separate component before casting the Piston can be introduced into a mold. For example, one made of aluminum or aluminum foam existing separate component, analogous to a salt core, arranged in the mold of the piston and with during the subsequent casting process Pouring the casting melt (e.g. steel). Another advantage is that the separate component can remain in the piston after casting and not such as a salt core, must be rinsed out after drilling. But it is also conceivable, first when pouring a salt or sand core used, which is rinsed out after casting and forms a cavity. In these The material then becomes hollow through the flushing openings introduced lower density.

Weitere Vorteile der Bereiche mit geringerem spezifischen Gewicht gegenüber dem Kolbenmaterial ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen, die in Verbindung der folgenden Figurenbeschreibung erläutert werden. Other advantages of areas with lower specific gravity compared to Piston material result from the further subclaims, which are in connection the following description of the figures are explained.

Ein beispielhaft konstruierter Kolben, bei dem die Erfindung realisiert ist und auf den die Erfindung nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert. An exemplary constructed piston, in which the invention is implemented and on the the invention is not limited, is described below and based on the Figures explained.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1/2 einen erfindungsgemäßen Kolben im Schnitt, Fig. 1/2 a piston according to the invention in section;

Fig. 3 ein separates Bauteil (Eingußkörper) vor dem Eingießen, Fig. 3 is a separate component (gate member) prior to pouring,

Fig. 4 Ausnehmungen zur Lagefixierung des Eingußkörpers, Fig. 4 recesses for fixing the position of the gate member,

Fig. 5 einen "aufgeschnittenen" Kolben. Fig. 5 shows a "cut" piston.

Fig. 1 und 2 zeigen einen einteiligen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei jedoch die Erfindung bei einem mehrteiligen Kolben, insbesondere bei einem Pendelschaftkolben ebenso anwendbar ist. Der Kolben 1 besteht in an sich bekannter Weise aus einem Kolbenboden 2, der in Richtung des Verbrennungsraumes gerichtet ist, mit einem radial umlaufenden Ringfeld 3. Weiterhin vorhanden sind an dem Kolbenboden 2 (Kolbenkopf) angehängte Kolbenschäfte 4, die mit Bolzenbohrungen 5 versehen sind. Erfindungsgemäß ist (sind) zumindest teilweise radial umlaufend oder vollständig radial umlaufend ein Bereich 6 (oder mehrere Bereiche 6) vorhanden, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden 2 besteht. Die Gestaltung dieser Bereiche 6 richtet sich insbesondere nach den geometrischen Verhältnissen des Kolbens und berücksichtigt Parameter, wie Höhe des Kolbenbodens, Innenkontur des Kolbens 1 und auch, ob eine Brennraummulde vorhanden ist oder nicht. Die Form, insbesondere der Querschnitt des Bereiches 6 ist in seiner Gesamtheit gleich oder in Teilbereichen unterschiedlich, um insbesondere auf die geometrische Form einer Brennraummulde Rücksicht zu nehmen. Fig. 1 and 2 show a one-piece piston for an internal combustion engine, but the invention is equally applicable to a multi-part piston, in particular in an articulated piston. The piston 1 consists, in a manner known per se, of a piston head 2 , which is directed in the direction of the combustion chamber, with a radially circumferential ring field 3 . Also present on the piston crown 2 (piston head) are piston shafts 4 which are provided with pin bores 5 . According to the invention, an area 6 (or more areas 6 ) is (are) at least partially radially circumferential or completely radially circumferential, which consists of a material whose specific weight is smaller than the material from which the piston crown 2 is made. The design of these areas 6 depends in particular on the geometric conditions of the piston and takes into account parameters such as the height of the piston crown, inner contour of the piston 1 and also whether or not there is a combustion chamber trough. The shape, in particular the cross section, of the area 6 is the same in its entirety or different in some areas, in order to take particular account of the geometric shape of a combustion chamber trough.

In Fig. 3 ist ein separates Bauteil 7 (Eingußkörper) gezeigt, dessen geometrische Ausgestaltung lediglich beispielhaft und zumindest teilweise radial umlaufend ist. Eine bevorzugte Anwendung ist darin zu sehen, daß das separate Bauteil 7 als einstückiger aus Aluminiumschaum bestehender Eingußkörper vorgefertigt wird. Ein solcher Eingußkörper kann dann, ähnlich einem Sandkern, in eine nicht dargestellte Gießform für den Kolben 1 eingesetzt werden. Hierzu ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt, daß das separate Bauteil 7 Ausnehmungen 8 aufweist, mit dem dieses auf Stifte, die aus dem Gießkern herausragen, aufgesteckt werden kann. Alternativ dazu ist es denkbar, daß das separate Bauteil 7 seinerseits solche Stifte oder dergleichen (wie beispielsweise Stege) aufweist, mit dem der Eingußkörper auf den Gießkern aufgesteckt werden kann. Darüber hinaus sind andere Möglichkeiten zur Einbringung des Eingußkörpers in die Gießform nicht ausgeschlossen. Dabei ist lediglich sicher zu stellen, daß nach dem Schließen der Gießform und dem Eingießen der Gießschmelze der Eingußkörper (separates Bauteil 7) seine Lage beibehält. FIG. 3 shows a separate component 7 (casting body), the geometric configuration of which is only exemplary and at least partially radially encircling. A preferred application is to be seen in the fact that the separate component 7 is prefabricated as a one-piece casting body consisting of aluminum foam. Such a casting body can then, similar to a sand core, be inserted into a mold (not shown) for the piston 1 . To this end 4 is shown in Fig. Exemplified that the separate component 7 has recesses 8, by which this may be applied to pins which protrude from the casting core plugged. Alternatively, it is conceivable that the separate component 7 in turn has such pins or the like (such as webs) with which the casting body can be attached to the casting core. In addition, other possibilities for introducing the casting body into the mold are not excluded. It is only necessary to ensure that after the mold has been closed and the casting melt has been poured in, the casting body (separate component 7 ) maintains its position.

Fig. 5 zeigt einen "aufgeschnittenen" Kolben 1, bei dem die Lage des im Kolben 1 verbleibenden Eingußkörpers 7 erkennbar ist. Fig. 5 shows a "cut" piston 1, in which the position of the remaining in flask 1 gate member 7 can be seen.

Claims

1. Piston ( 1 ), in particular a piston for an internal combustion engine, with a piston crown ( 2 ), an annular field ( 3 ) and piston shafts ( 4 ) with pin bores ( 5 ), characterized in that at least one area () in the piston crown ( 2 ) 6 ) is present, which consists of a material whose specific weight is smaller than the material from which the piston ( 1 ), in particular the piston head ( 2 ), is made.

2. Piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the material of the at least one area ( 6 ) is aluminum or is an aluminum alloy.

3. Piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the material of the at least one area ( 6 ) is an aluminum foam.

4. Piston ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the at least one region ( 6 ) is formed by at least one separate component ( 7 ) which can be introduced into a mold before the piston ( 1 ) is cast ,

5. Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the regions ( 6 ) are arranged in the piston crown ( 2 ) such that the strength of the piston crown ( 2 ) is at least largely preserved.

6. Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the region ( 6 ) after the casting of the piston ( 1 ) is designed as a cavity and is then filled with the material of lower density.