DE102007005268A1 - Multi-part steel piston for an internal combustion engine with a cooling channel - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1), der aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) besteht, wobei im Bereich des Kolbenoberteils (2) ein von einem Ringelement (9) gebildetes Ringfeld mit Ringnuten (4), ein dahinter koaxial und radial umlaufender Kühlkanal (5) und insbesondere eine Brennraummulde (6) vorhanden sind und das Kolbenunterteil (3) zumindest einen Kolbenschaft (7) und eine entsprechende Bolzenbohrung (8) aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Anlagebereiche des Ringelementes (9) an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind und das Ringelement (9) unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt ist.The invention relates to a piston (1), which consists of a piston upper part (2) and a piston lower part (3), wherein in the region of the piston upper part (2) of a ring element (9) formed ring field with annular grooves (4), behind a coaxial and radially encircling cooling channel (5) and in particular a combustion bowl (6) are present and the piston lower part (3) at least one piston shaft (7) and a corresponding pin bore (8), wherein according to the invention it is provided that the abutment portions of the ring element (9) are designed at least once paragraph-shaped on the piston body and the ring member (9) is permanently attached to the piston body.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The The invention relates to a piston for an internal combustion engine with a cooling channel according to the characteristics the preamble of claim 1.

Kolben mit einem Kühlkanal für Verbrennungsmotore sind grundsätzlich bekannt. Bei solchen, auch Kühlkanalkolben genannten Kolben ist hinter dem Ringfeld koaxial und radial umlaufend, ein Kühlkanal vorgesehen, durch den Motoröl zur Kühlung des oberen Bereiches des Kolbens zirkuliert.piston with a cooling channel for combustion engines are basically known. In such, also cooling channel piston said piston is behind the ring field coaxial and radially encircling, a cooling channel provided by the engine oil for cooling the upper portion of the piston circulates.

Es ist bekannt, solche Kühlkanäle durch einen verlorenen Kern herzustellen.It is known, such cooling channels through to make a lost core.

Außerdem ist es bekannt, einen zugänglichen Bereich des Kolbenbodens mit einer umlaufenden Vertiefung zu versehen, die anschließend mit einem Verschlusselement, wie z.B. einem Blechstreifen, verschlossen wird.Besides that is it is known, an accessible To provide area of the piston crown with a circumferential recess, the following with a closure element, e.g. a metal strip, sealed becomes.

Die erstgenannte Konstruktion hat sich in der Praxis zwar bewährt, aber den Nachteil, dass ein vollständiges Entfernen des verlorenen Kerns erforderlich ist, um das Eindringen von Fremdkörpern, die den verlorenen Kern gebildet haben, in den Motoröl-Kreislauf des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Die zweitgenannte Methode hat den Nachteil, dass hierdurch recht hoch bauende Kolben entstehen, da die radial umlaufende Vertiefung mit einem entsprechenden Werkzeug von unten eingebracht werden muss.The The former design has proven itself in practice, but the disadvantage that a complete Removing the lost core is required to penetrate foreign bodies, that have formed the lost core into the engine oil cycle of the internal combustion engine. The second-named method has the disadvantage that this results in quite high-build pistons, because the radial circumferential recess with a corresponding tool must be introduced from below.

Um diese beschriebenen Nachteile zu vermeiden, ist aus der DE 103 25 914 A1 oder der DE 100 47 258 C2 schon bekannt geworden, an einem Kolbengrundkörper ein Ringelement anzufügen.To avoid these disadvantages, is from the DE 103 25 914 A1 or the DE 100 47 258 C2 already known to attach to a piston body a ring element.

Bei der DE 103 25 914 A1 ist vorgesehen, dass das Ringelement mittels einer Schraubverbindung an dem Kolbengrundkörper befestigt wird. Dies hat aber den Nachteil, dass sowohl der Kolbengrundkörper als auch das Ringelement nach ihrer jeweiligen getrennten Herstellung aufwändig bearbeitet werden müssen, da am Kolbengrundkörper ein Außengewinde und korrespondierend dazu am Ringelement ein Innengewinde geschnitten werden müssen. Da im Stand der Technik der Kolbengrundkörper aus geschmiedetem Stahl besteht, kann dessen Außengewinde nicht mit Herstellung des Kolbengrundkörpers eingebracht werden, sondern dies muss nachträglich erfolgen. Da geschmiedeter Stahl aber die für Verbrennungsmotoren erforderliche Festigkeit und Zähigkeit aufweist, ist dies ein umständlicher und lang andauernder Prozess, der die Herstellungskosten eines solchen Kolbens in nachteiliger Weise erhöht. Außerdem kann es beim Aufschrauben des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper sehr schnell zu Verkantungen kommen, so dass dadurch die Gefahr besteht, dass entweder der Kolbengrundkörper oder das Ringelement oder beide Bauteile nicht mehr brauchbar sind.In the DE 103 25 914 A1 it is provided that the ring element is fastened by means of a screw connection to the piston main body. However, this has the disadvantage that both the piston base body and the ring element must be laboriously processed after their respective separate production, since an external thread and correspondingly on the ring element an internal thread must be cut on the piston body. Since in the prior art, the piston body consists of forged steel, its external thread can not be introduced with the production of the piston body, but this must be done later. However, since forged steel has the strength and toughness required for internal combustion engines, this is a cumbersome and long-lasting process that disadvantageously increases the manufacturing cost of such a piston. In addition, when the ring element is screwed onto the piston base body, tilting can occur very quickly, so that there is a risk that either the piston main body or the ring element or both components will no longer be usable.

Bei der DE 100 47 258 C2 liegt das Ringelement stumpf an dem Kolbengrundkörper an, so dass beim Aufsetzen keine Führung gegeben ist und nach dem Fügen die Steifigkeit nicht ausreichend hoch ist.In the DE 100 47 258 C2 is the ring element butt against the piston body, so that when placing no guidance is given and after joining the rigidity is not sufficiently high.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolben dahingehend zu verbessern, dass die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.Of the Invention is therefore based on the object, a generic piston to improve that the disadvantages described above be avoided.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die Anlagebereiche des Ringelementes an den Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind und das Ringelement unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt ist. Die absatzförmige Gestaltung der Anlagebereiche hat den Vorteil, dass das Ringelement sowohl beim Aufsetzen als auch nach dem Anbringen an dem Kolbengrundkörper geführt wird und geführt gelagert ist, so dass Verkantungen vermieden werden. Die absatzförmigen Anlagebereiche erhöhen darüber hinaus die Festigkeit des Kolbenbodens bzw. des Kolbenoberteils, nachdem das Ringelement unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt worden ist. Durch diese sowohl formschlüssige als auch materialschlüssige Verbindung ist eine einfachere Montage und eine erhöhte Festigkeit gegeben. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Wandstärken der beteiligten Bauelemente, insbesondere des Ringelements und des Kolbengrundkörpers (insbesondere die Wandstärke im Übergangsbereich von dem Kühlkanal zu einer Brennraummulde) gegenüber dem Stand der Technik verringert werden können, da zum Aufsetzen des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper nur geringe Kräfte erforderlich sind, die deutlich geringer ausfallen als diejenigen Kräfte, die erforderlich wären, als wenn das Ringelement auf dem Kolbengrundkörper festgeschraubt werden soll. Außerdem lässt sich durch entsprechende Formgebung sowohl des Kobengrundkörpers als auch des Ringelements schon vorab der gewünschte und ausreichend große Querschnitt des Kühlkanals realisieren. Mit dem erfindungsgemäßen Kolben werden also mehrere Vorteile erzielt, nämlich Festigkeitssteigerung, einfachere Herstellung und Montage, geringere Kolbenhöhe und auch eine Gewichtsersparnis auf Grund der geschilderten Verringerungen der Wandstärken.These Task is solved by that the contact areas of the ring element to the piston body at least once heel-shaped are designed and the ring element is permanently attached to the piston body. The heel-shaped Design of the investment areas has the advantage that the ring element is guided both during placement and after attachment to the piston body and guided is stored, so that tilting can be avoided. The heel-shaped investment areas increase about that In addition, the strength of the piston crown and the piston upper part, after the ring element insoluble attached to the piston body is. By this both form-fitting as well as material-locking Connection is easier assembly and increased strength given. Another advantage of the invention is to be seen in that the wall thicknesses the components involved, in particular the ring element and the Piston body (especially the wall thickness in the transition area from the cooling channel towards a combustion bowl) The prior art can be reduced because of the placement of the ring element on the piston body only small forces are required, which are significantly lower than those forces that would be required as if the ring element are screwed onto the piston body should. In addition, can be by appropriate shaping of both the Kobengrundkörpers as also the ring element in advance the desired and sufficiently large cross-section of the cooling channel realize. With the piston according to the invention thus several Benefits achieved, namely Strength increase, easier manufacture and assembly, lower Piston height and also a weight saving due to the described reductions the wall thicknesses.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, ist in den beiden 1 und 2 gezeigt und im Folgenden beschrieben:
In diesen Figuren ist ein Kolben 1 gezeigt, der aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3 besteht. Der fertige Kolben 1 kann einstückig sein oder aus den zunächst voneinander getrennten Teilen 2, 3 bestehen, die zusammengefügt werden. Außerdem ist es denkbar, dass die Erfindung auch bei einem Kolbenkopf eines Pendelschaftkolbens angewendet wird.An embodiment of the invention, to which, however, is not limited, is in the two 1 and 2 shown and described below:
In these figures is a piston 1 shown from a piston top 2 and a piston bottom 3 consists. The finished piston 1 can be one-piece or from the initially separate parts 2 . 3 exist that are put together. In addition, it is conceivable that the invention is also applied to a piston head of a pendulum piston.

Im Kolbenoberteil 2 ist in an sich bekannter Weise ein Ringfeld mit mehreren Ringnuten 4 und einem dahinter angeordneten radial umlaufenden Kühlkanal 5 vorhanden. Nicht zwingend ist ebenfalls hinter den Kühlkanal 5 eine Brennraummulde 6 angeordnet. Je nach Bauart des Kolbens 1 ist eine solche Brennraummulde 6 vorhanden oder nicht. Ergänzend oder alternativ zu einer Brennraummulde 6 können auch eine oder mehrere Ventiltaschen vorhanden sein. Das Kolbenunterteil 3 weist in ebenfalls an sich bekannter Weise zumindest einen Kolbenschaft 7, insbesondere einen zylinderförmig ausgestalten Kolbenschaft, sowie eine Bolzenbohrung 8 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf.In the piston upper part 2 is in a conventional manner a ring field with a plurality of annular grooves 4 and a radially circumferential cooling channel arranged behind it 5 available. Not necessarily is also behind the cooling channel 5 a combustion bowl 6 arranged. Depending on the design of the piston 1 is such a combustion bowl 6 present or not. Complementary or alternative to a combustion bowl 6 also one or more valve pockets may be present. The piston lower part 3 also has at least one piston shaft in a manner known per se 7 , in particular a cylinder-shaped piston skirt, and a pin bore 8th for receiving a piston pin.

Nach der Herstellung eines Kolbengrundkörpers weist dieser einen oberen Steg 10 und einen unteren Steg 11 auf, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei in besonders vorteilhafter Weise der obere Steg 10 im Durchmesser kleiner ist als der untere Steg 11. Dadurch ist es möglich, dass ein Ringelement 9, das separat von dem Kolbengrundkörper hergestellt worden ist, von oben (bei Betrachtung der 1) über das Kolbenoberteil 2 des Kolbengrundkörpers aufzusetzen. Hierbei ist es in erfindungsgemäßer Weise von Vorteil, dass die Anlagebereiche des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper im Bereich sowohl einer oberen Fügestelle 12 als auch im Bereich einer unteren Fügestelle 13 zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind.After producing a piston body this has an upper web 10 and a lower jetty 11 on, which are both designed to be radially encircling, wherein in a particularly advantageous manner, the upper web 10 smaller in diameter than the lower bridge 11 , This makes it possible for a ring element 9 , which has been made separately from the piston body, from above (looking at the 1 ) over the piston upper part 2 to set up the piston body. It is advantageous in the inventive manner that the contact areas of the ring element 9 on the piston body in the region of both an upper joint 12 as well as in the area of a lower joint 13 are designed at least once paragraph-shaped.

Außerdem ist es vorgesehen, dass der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes 9 mit einem Absatz auf den unteren Steg 11 aufliegt. Dadurch ist die endgültige Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgegeben.In addition, it is provided that the downwardly facing peripheral edge of the ring element 9 with a paragraph on the lower bridge 11 rests. As a result, the final position of the ring element 9 specified on the piston body.

Zur Erhöhung der Festigkeit nach dem Fügen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper und zur Verbesserung der Führung beim Aufsetzen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper ist der obere Steg 10 und der korrespondierende Bereich des Ringelementes 9 mit einem Absatz 14 versehen. Ebenso ist der untere Steg 11, auf dem der untere umlaufende Rand des Ringelementes 9 aufliegt, absatzförmig gestaltet. Von besonderem Vorteil ist die Gestaltung dieses Absatzes als Feder-Nut-Bereich 15. Hierzu ist weiterhin vorgesehen, dass der untere Steg 11 nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht, um einerseits die Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgeben zu können und andererseits die Bauhöhe des Kolbens zu reduzieren, da bei dieser Ausgestaltung der Kolbenschaft bzw. die Kolbennaben nahezu senkrecht und im rechten Winkel von dem unteren Steg 11 ausgehen können.To increase the strength after joining the ring element 9 to the piston body and to improve the leadership when placing the ring element 9 to the piston body is the upper web 10 and the corresponding region of the ring element 9 with a paragraph 14 Mistake. Likewise, the lower jetty 11 on which the lower peripheral edge of the ring element 9 rests, paragraph shaped. Of particular advantage is the design of this paragraph as a tongue and groove area 15 , For this purpose, it is further provided that the lower web 11 protrudes almost horizontally from the piston body, on the one hand, the position of the ring element 9 On the other hand, to be able to pretend on the piston body and on the other hand to reduce the height of the piston, as in this embodiment, the piston skirt and the piston hub almost perpendicular and at right angles to the lower web 11 can go out.

Nachdem das Ringelement 9 in der beschriebenen Art und Weise auf den Kolbengrundkörper aufgesetzt und durch Formschluss festgelegt worden ist, erfolgt ein Fügeprozess, in dem die obere und untere Fügestelle 12, 13 derart bearbeitet werden, dass das Ringelement 9 unlösbar mit dem Kolbengrundkörper verbunden wird. Hier kommt in besonders vorteilhafter Weise ein Schweißprozess oder ein Lötprozess in Frage. Auf Grund der dünnen zu verschweißenden Wandstärken im Bereich der Stege 10, 11 und zur Erzielung eines geringen Verzuges und kleiner Wärmeeinflusszonen bieten sich die Schweißprozesse Laserschweißen, Elektronikstrahlschweißen, Plasmaschweißen oder das WIG-Orbitalschweißen an. Werden hohe Kohlenstoffgehalte der zu verwendenden Stähle für Ringelement und Kolbengrundkörper verwendet, sollte ein Zusatzwerkstoff ausgewählt werden, der neben der erforderlichen Festigkeit auch eine ausreichende Zähigkeit und Verformbarkeit aufweist.After the ring element 9 in the manner described has been placed on the piston body and fixed by positive engagement, a joining process takes place, in which the upper and lower joint 12 . 13 be processed so that the ring element 9 undetachably connected to the piston body. Here comes in a particularly advantageous manner, a welding process or a soldering process in question. Due to the thin wall thicknesses to be welded in the area of the webs 10 . 11 and to achieve a low distortion and small heat affected zones, the welding processes laser welding, electron beam welding, plasma welding or TIG orbital welding are suitable. If high carbon contents of the steels to be used are used for the ring element and the piston main body, an additional material should be selected which, in addition to the required strength, also has sufficient toughness and deformability.

In besonders vorteilhafter Weise lässt sich mit der vorliegenden Erfindung ein Kolben realisieren, der für den Betrieb von schnell laufenden, hoch belasteten Dieselmotoren mit Leistungen größer als 80 kW pro Liter und Zünddrücken oberhalb 200 bar einsetzbar ist.In particularly advantageous manner realize with the present invention, a piston, the for the Operation of high-speed, high-load diesel engines with Benefits greater than 80 kW per liter and ignition pressures above 200 bar can be used.

11
Kolbenpiston
22
KolbenoberteilPiston crown
33
KolbenunterteilPiston part
44
Ringnutring groove
55
Kühlkanalcooling channel
66
BrennraummuldeCombustion bowl
77
Kolbenschaftpiston shaft
88th
Bolzenbohrungpin bore
99
Ringelementring element
1010
oberer Stegupper web
1111
unterer Steglower web
1212
obere Fügestelleupper joint
1313
untere Fügestellelower joint
1414
Absatzparagraph
1515
Feder-Nut-BereichTongue and groove area
1616
Kolbenbodenpiston crown

Claims (5)

Kolben (1), der aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) besteht, wobei im Bereich des Kolbenoberteils (2) ein von einem Ringelement (9) gebildetes Ringfeld mit Ringnuten (4), ein dahinter koaxial und radial umlaufender Kühlkanal (5) und insbesondere eine Brennraummulde (6) vorhanden sind und das Kolbenunterteil (3) zumindest einen Kolbenschaft (7) und eine entsprechende Bolzenbohrung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagebereiche des Ringelementes (9) an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind und das Ringelement (9) unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt ist.Piston ( 1 ), which consists of a piston upper part ( 2 ) and a piston lower part ( 3 ), wherein in the region of the piston upper part ( 2 ) one of a ring element ( 9 ) formed ring field with annular grooves ( 4 ), behind a coaxial and radially encircling cooling channel ( 5 ) and in particular a combustion bowl ( 6 ) are present and the piston lower part ( 3 ) at least one piston stem ( 7 ) and a corresponding bol zenbohrung ( 8th ), characterized in that the contact areas of the ring element ( 9 ) are designed at least once paragraph-shaped on the piston body and the ring element ( 9 ) is permanently attached to the piston body. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kolbengrundkörper ein oberer Steg (10) und ein demgegenüber durchmessergrößerer unterer Steg (11) herausragt, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) mit einem Absatz auf dem unteren Steg (11) aufliegt.Piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that from the piston main body an upper web ( 10 ) and a comparatively larger lower web ( 11 protrudes, which are both designed to be radially encircling, wherein the downwardly facing peripheral edge of the ring element ( 9 ) with a shoulder on the lower bridge ( 11 ) rests. Kolben (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz, mit dem der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) auf dem unteren Steg (11) aufliegt, als Feder-Nut-Bereich ausgebildet ist.Piston ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the shoulder, with which the downwardly facing peripheral edge of the ring element ( 9 ) on the lower bridge ( 11 ) rests, is designed as a tongue and groove area. Kolben (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Steg (11) nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht.Piston ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the lower web ( 11 ) protrudes almost horizontally from the piston body. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (9) rotationssymetrisch ist und den gesammten Ringfeldbereich und den äußeren Rand des Kolbenbodens (16) bildet.Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the ring element ( 9 ) is rotationally symmetric and the entire ring field area and the outer edge of the piston crown ( 16 ).
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