DE102010025507A1

DE102010025507A1 - Piston e.g. pendulum shaft piston, for use in cylinder of combustion engine, has recess for enclosing acute angle with middle axis of piston, where recess forms exit orifice together with cover ring for coolant

Info

Publication number: DE102010025507A1
Application number: DE201010025507
Authority: DE
Inventors: Detlef Jacobi
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-12-29

Abstract

The piston (110) has a piston head with a circulating annular wall (116) including a free circulating end (122) for limiting an annular circulating cooling passage (121). The passage is opened in direction of a piston shaft and provided for a coolant. The passage is closed by a cover ring (125) held at the end of the wall, and a recess (129) is provided in a region of the end of the wall. The recess encloses an acute angle with a middle axis of the piston and forms an exit orifice (133) together with the ring for the coolant. The ring is made of sheet metal, where the piston is made of steel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf, wobei im Kolbenkopf eine umlaufende Ringwand mit einem freien umlaufenden Ende vorgesehen ist, die einen ringförmig umlaufenden, in Richtung des Kolbenschafts offenen Kühlkanal für ein Kühlmittel begrenzt, wobei der Kühlkanal mit einem Abdeckring verschlossen ist, welcher am freien umlaufenden Ende der Ringwand gehalten ist.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston skirt and a piston head, wherein in the piston head, a circumferential annular wall is provided with a free circumferential end which defines an annular circumferential, open towards the piston shaft cooling passage for a coolant, wherein the cooling channel is closed with a cover, which is held at the free circumferential end of the annular wall.

Ein gattungsgemäßer einteiliger Kolben ist aus der DE 103 46 822 A1 und ein gattungsgemäßer zweiteiliger Kolben ist aus der DE 41 34 530 A1 bekannt. Bei derartigen Kolben besteht das Problem, dass insbesondere beim Aufwärtshub des Kolbens im Zylinder eine Mangelschmierung zwischen dem Kolbenschaft des Kolbens und der Zylinderlauffläche des Zylinders auftreten kann. Dabei kann es zu einem Abriss des Schmierfilms kommen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kolben im Zylinder eng geführt wird, um einen übermäßigen Verschleiß am Kolbenkopf, insbesondere im Bereich des obersten Kolbenrings, zu vermeiden.A generic one-piece piston is from the DE 103 46 822 A1 and a generic two-piece piston is from the DE 41 34 530 A1 known. In such a piston, there is the problem that, in particular during the upward stroke of the piston in the cylinder deficiency lubrication between the piston skirt of the piston and the cylinder surface of the cylinder can occur. This can lead to a demolition of the lubricating film. This is especially true when the piston is tightly guided in the cylinder to avoid excessive wear on the piston head, especially in the region of the uppermost piston ring.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben bereitzustellen, bei dem die Gefahr der Mangelschmierung insbesondere beim Aufwärtshub zumindest deutlich reduziert ist.The present invention is therefore based on the object to provide a generic piston, in which the risk of lack of lubrication is at least significantly reduced, especially during the upward stroke.

Die Lösung besteht darin, dass im Bereich des freien umlaufenden Endes der Ringwand mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist, die mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt und gemeinsam mit dem Abdeckring mindestens eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel bildet.The solution is that at least one recess is provided in the region of the free circumferential end of the annular wall, which forms an acute angle with the piston center axis and together with the cover ring forms at least one outlet opening for the coolant.

Das erfindungsgemäße Prinzip besteht somit darin, dass eine vom Kühlkanal ausgehende Austrittsöffnung für das Kühlmittel geschaffen wird, durch die im Betrieb während des Aufwärtshubs des Kolbens im Zylinder Kühlmittel zur Zylinderlauffläche geleitet wird. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Winkellage der Ausnehmung tritt das Kühlöl in Richtung des Kolbenschaftes aus der Austrittsöffnung aus, so dass dauerhaft eine ausreichende Schmierung zwischen der Zylinderlauffläche und dem Kolbenschaft gewährleistet ist. Die Kühlmittelversorgung erfolgt hierbei in an sich bekannter Weise durch die ausreichende Zufuhr von Kühlmittel in den Kühlkanal, bspw. über Kühlmitteldüsen.The principle according to the invention thus consists in that an outlet opening for the coolant is created from the cooling duct, through which coolant is conducted to the cylinder running surface during the upstroke of the piston in the cylinder during operation. Due to the inventively provided angular position of the recess, the cooling oil exits in the direction of the piston shaft from the outlet opening, so that permanently sufficient lubrication between the cylinder surface and the piston skirt is ensured. The coolant supply takes place here in a manner known per se by the sufficient supply of coolant into the cooling channel, for example via coolant nozzles.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments emerge from the subclaims.

Für eine zuverlässige Schmierung hat sich ein Winkel zwischen der Ausnehmung und der Kolbenmittelachse im Bereich von 25° bis 40° herausgestellt. Der Winkelbereich von 30° bis 35° hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.For reliable lubrication, an angle between the recess and the piston center axis in the range of 25 ° to 40 ° has been found. The angular range of 30 ° to 35 ° has proved to be particularly advantageous.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Abdeckring mindestens eine mit der mindestens einen Ausnehmung korrespondierende Aussparung auf. Die mindestens eine Ausnehmung und die mindestens eine Aussparung bilden gemeinsam die mindestens eine Austrittsöffnung. Wenn mehrere Ausnehmungen bzw. mehrere Aussparungen vorgesehen ist, bilden diese stets miteinander korrespondierende Paare. Diese Ausführungsform ist besonders für schmale umlaufende Wände geeignet.In a first preferred embodiment, the cover ring has at least one recess corresponding to the at least one recess. The at least one recess and the at least one recess together form the at least one outlet opening. If a plurality of recesses or a plurality of recesses is provided, these always form pairs with each other. This embodiment is particularly suitable for narrow circumferential walls.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform überdeckt der Abdeckring die mindestens eine Ausnehmung nur teilweise. In diesem Fall bilden die mindestens eine Ausnehmung und der äußere Rand des Abdeckrings gemeinsam die mindestens eine Austrittsöffnung. Auch bei dieser Ausführungsform können zwei oder mehr Ausnehmungen in der Ringwand ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist besonders für vergleichsweise breite umlaufende Wände geeignet.In a second preferred embodiment, the cover ring covers the at least one recess only partially. In this case, the at least one recess and the outer edge of the cover ring together form the at least one outlet opening. Also in this embodiment, two or more recesses may be formed in the annular wall. This embodiment is particularly suitable for relatively wide circumferential walls.

Die mindestens eine Ausnehmung kann bspw. als gerundete Fräsung ausgebildet sein. Die konkrete Ausgestaltung im Einzelfall steht jedoch im Belieben des Fachmanns.The at least one recess may be formed, for example, as a rounded milling. However, the concrete embodiment in an individual case is at the discretion of the person skilled in the art.

Der Abdeckring kann bspw. aus einem Blech hergestellt sein, so dass die mindestens eine Ausnehmung zweckmäßigerweise als Ausstanzung ausgebildet ist.The cover ring may, for example, be made of a sheet, so that the at least one recess is expediently designed as a punched-out.

Der erfindungsgemäße Kolben ist bspw. ein einteiliger Kolben, der einen mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbundenen und vom Kolbenkopf durch eine ringförmige Ausnehmung beabstandeten Kolbenschaft aufweist. Dieser Kolbentyp ist im geschäftlichen Verkehr unter dem Begriff „Monotherm^®-Kolben” bekannt.The piston according to the invention is, for example, a one-piece piston which has a piston shaft connected to the underside of the piston head and spaced from the piston head by an annular recess. This piston type is known in the trade under the term "Monotherm ^® pistons".

Der erfindungsgemäße Kolben kann ferner ein zweiteiliger Kolben sein, der einen mit dem Kolbenkopf durch einen gemeinsamen Kolbenbolzen gelenkig verbundenen Kolbenschaft aufweist (sog. Pendelschaftkolben).The piston according to the invention can also be a two-part piston which has a piston shaft articulated to the piston head by a common piston pin (so-called pendulum piston).

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines gattungsgemäßen Kolbens; 1 a schematic sectional view of a generic piston;

2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer vergrößerten Teildarstellung im Schnitt; 2 a first embodiment of a piston according to the invention in an enlarged partial view in section;

3 der Kolben gemäß 2 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils A in 2; 3 the piston according to 2 in a view in the direction of the arrow A in 2 ;

4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer vergrößerten Teildarstellung im Schnitt; 4 a further embodiment of a piston according to the invention in an enlarged partial view in section;

5 der Kolben gemäß 4 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils B in 4. 5 the piston according to 4 in a view in the direction of arrow B in 4 ,

1 zeigt zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung einen gattungsgemäßen Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein einteiliger Stahlkolben und weist einen Kolbenkopf 11 und einen Kolbenschaft 12 auf, die über eine Schaftanbindung 13 einstückig miteinander verbunden sind. Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 14 mit einer Verbrennungsmulde 15 auf. An den Kolbenboden 14 schließt sich eine umlaufende Ringwand 16 mit einem umlaufenden Feuersteg 17 und einer umlaufenden Ringpartie 18 mit Kolbenringnuten 19 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Die umlaufende Ringwand 16 begrenzt einen an der Unterseite des Kolbenbodens 14 angeordneten umlaufenden Kühlkanal 21 radial nach außen. Die Ringwand 16 schließt ab mit einem freien, dem Kolbenschaft 12 zugewandten Ende 22. Der Kühlkanal 21 ist mit einem Abdeckring 25 verschlossen. Der Kolbenschaft 12 weist Naben 23 auf, die mit Nabenbohrungen 24 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen sind. Die Stirnflächen der Naben 23 sind im Ausführungsbeispiel gegenüber der Ringwand 16 in Richtung der Kolbenlängsachse zurückgesetzt (sog. Kastenkolben). Die Schaftanbindung 13 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls in Richtung der Kolbenlängsachse zurückgesetzt, so dass eine ringförmige Ausnehmung 26 gebildet wird (sog. „Monotherm^®-Kolben”). Die Kolbenmittelachse ist mit M bezeichnet. 1 shows to illustrate the present invention, a generic piston 10 for an internal combustion engine. The piston 10 in the exemplary embodiment is a one-piece steel piston and has a piston head 11 and a piston stem 12 on, via a shank connection 13 are integrally connected to each other. The piston head 11 has a piston bottom 14 with a combustion bowl 15 on. To the piston bottom 14 closes a circumferential ring wall 16 with a circulating flint 17 and a circumferential ring section 18 with piston ring grooves 19 for receiving piston rings (not shown). The circumferential ring wall 16 limits one at the bottom of the piston crown 14 arranged circumferential cooling channel 21 radially outward. The ring wall 16 complete with a free, the piston skirt 12 facing the end 22 , The cooling channel 21 is with a cover ring 25 locked. The piston shaft 12 has hubs 23 on that with hub bores 24 for receiving a piston pin (not shown) are provided. The faces of the hubs 23 are in the embodiment with respect to the annular wall 16 reset in the direction of the piston longitudinal axis (so-called box piston). The shaft connection 13 is also reset in the embodiment in the direction of the piston longitudinal axis, so that an annular recess 26 is formed (so-called "Monotherm ^® piston"). The piston center axis is designated M.

Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls für zweiteilige Kolben geeignet, bei denen der Kolbenkopf durch einen gemeinsamen Kolbenbolzen gelenkig mit dem Kolbenschaft verbunden ist (sog. Pendelschaftkolben; nicht dargestellt). Der an sich bekannte Kolbenkopf eines derartigen Kolbens weist bspw. einen Kolbenboden wie in 1 dargestellt mit einem nach unten offenen Kühlkanal auf. Über Schaftanbindungen sind mit Nabenbohrungen versehene Naben mit dem Kolbenboden verbunden.The present invention is also suitable for two-piece pistons in which the piston head is pivotally connected to the piston skirt by a common piston pin (so-called pendulum piston, not shown). The per se known piston head of such a piston has, for example, a piston crown as in 1 shown with a cooling channel open at the bottom. About shank connections hub provided with hub holes are connected to the piston crown.

Die 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, hier eines einteiligen Kolbens gemäß 1 in einer vergrößerten Teildarstellung. Es ist deutlich zu erkennen, dass der den Kühlkanal 121 verschließende Abdeckring 125 zum einen in einer Stufe 127 aufgenommen ist, die an der Innenwand des Kühlkanals 121 vorgesehen ist. Der Abdeckring 125 ist zum anderen in einer in der Ringwand 116 im Bereich ihres Endes 122 vorgesehenen Falz 128 gehalten.The 2 and 3 show a first embodiment of a piston according to the invention 110 , here a one-piece piston according to 1 in an enlarged partial view. It can be clearly seen that the cooling channel 121 closing cover ring 125 on the one hand in one step 127 is added to the inner wall of the cooling channel 121 is provided. The cover ring 125 is on the other in one in the ring wall 116 in the area of their end 122 provided fold 128 held.

Im Bereich des freien Endes 122 der Ringwand 116 sind im Ausführungsbeispiel eine Anzahl von gleichmäßig verteilten Ausnehmungen 129 vorgesehen, wobei nur eine Ausnehmung 129 beispielhaft dargestellt ist. Die Ausnehmung 129 ist im Ausführungsbeispiel gerundet ausgeführt, bspw. gefräst; ein entsprechendes Werkzeug zu ihrer Herstellung ist in 2 strichpunktiert angedeutet. Die Schnittlinie 131 der Ausnehmung 129 entspricht der größten Tiefe der Ausnehmung 129 (vgl. 3). Die Schnittlinie 131 schließt mit der Kolbenmittelachse M im Ausführungsbeispiel einen Winkel (α) von 30° ein. Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, weist der Abdeckring 125 eine Aussparung 132 auf, die mit der Ausnehmung 129 korrespondiert, d. h. im zusammengebauten Zustand liegt die Aussparung 132 genau im Bereich der Ausnehmung 129. Es sind genauso viele Aussparungen 132 wie Ausnehmung 129 vorgesehen. Jede Aussparung 132 und jede Ausnehmung 129 bilden gemeinsam eine Austrittsöffnung 133 für das Kühlmittel. Die Winkellage der Ausnehmung 129 bewirkt, dass beim Aufwärtshub des Kolbens 110 im Zylinder das austretende Kühlmittel gezielt an die Zylinderlauffläche im Bereich des Kolbenschafts gelenkt wird.In the area of the free end 122 the ring wall 116 In the embodiment, a number of evenly distributed recesses 129 provided, with only one recess 129 is shown by way of example. The recess 129 is executed in the embodiment rounded, for example. Milled; a corresponding tool for their production is in 2 indicated by dash-dotted lines. The cutting line 131 the recess 129 corresponds to the greatest depth of the recess 129 (see. 3 ). The cutting line 131 closes with the piston center axis M in the embodiment an angle (α) of 30 °. In particular 3 can be seen, the cover ring 125 a recess 132 on that with the recess 129 corresponds, ie in the assembled state is the recess 132 exactly in the area of the recess 129 , There are just as many recesses 132 like recess 129 intended. Every recess 132 and every recess 129 together form an outlet opening 133 for the coolant. The angular position of the recess 129 causes during the upward stroke of the piston 110 in the cylinder, the escaping coolant is directed specifically to the cylinder surface in the region of the piston skirt.

Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210, hier eines einteiligen Kolbens gemäß 1 in einer vergrößerten Teildarstellung. Der den Kühlkanal 221 verschließende Abdeckring 225 ist ebenfalls zum einen in einer Stufe 227 aufgenommen ist, die an der Innenwand des Kühlkanals 221 vorgesehen ist. Ebenso ist der Abdeckring 225 zum anderen in einer in der Ringwand 216 im Bereich ihres Endes 222 vorgesehenen Falz 228 gehalten.The 4 and 5 show a further embodiment of a piston according to the invention 210 , here a one-piece piston according to 1 in an enlarged partial view. The the cooling channel 221 closing cover ring 225 is also on the one hand in a stage 227 is added to the inner wall of the cooling channel 221 is provided. Likewise, the cover ring 225 on the other in one in the ring wall 216 in the area of their end 222 provided fold 228 held.

Im Bereich des freien Endes 222 der Ringwand 216 sind im Ausführungsbeispiel eine Anzahl von gleichmäßig verteilten Ausnehmungen 229 vorgesehen, wobei nur eine Ausnehmung 229 beispielhaft dargestellt ist. Die Ausnehmung 229 ist im Ausführungsbeispiel gerundet ausgeführt, bspw. gefräst; ein entsprechendes Werkzeug zu ihrer Herstellung ist in 4 strichpunktiert angedeutet. Die Schnittlinie 131 der Ausnehmung 129 entspricht der größten Tiefe der Ausnehmung 129 (vgl. 3). Die Schnittlinie 231 schließt mit der Kolbenmittelachse M im Ausführungsbeispiel einen Winkel (α) von 35° ein. Wie insbesondere 5 zu entnehmen ist, verläuft der äußere Rand 234 des Abdeckrings 225 kontinuierlich rund, d. h. er weist keine Aussparungen oder Ausnehmungen auf. Der Abdeckring 225 überdeckt im montierten Zustand teilweise die Ausnehmung 229. Der äußere Rand 234 des Abdeckrings 225 bildet gemeinsam mit jeder Ausnehmung 229 eine Austrittsöffnung 233 für das Kühlmittel. Die Winkellage der Ausnehmung 229 bewirkt, dass beim Aufwärtshub des Kolbens 210 im Zylinder das austretende Kühlmittel gezielt an die Zylinderlauffläche im Bereich des Kolbenschafts gelenkt wird.In the area of the free end 222 the ring wall 216 In the embodiment, a number of evenly distributed recesses 229 provided, with only one recess 229 is shown by way of example. The recess 229 is executed in the embodiment rounded, for example. Milled; a corresponding tool for their production is in 4 indicated by dash-dotted lines. The cutting line 131 the recess 129 corresponds to the greatest depth of the recess 129 (see. 3 ). The cutting line 231 closes with the piston center axis M in the exemplary embodiment an angle (α) of 35 °. In particular 5 it can be seen, runs the outer edge 234 the cover ring 225 continuously round, ie it has no recesses or recesses. The cover ring 225 partially covers the recess in the mounted state 229 , The outer edge 234 the cover ring 225 forms together with each recess 229 an outlet opening 233 for the coolant. The angular position of the recess 229 causes during the upward stroke of the piston 210 in the cylinder, the escaping coolant is directed specifically to the cylinder surface in the region of the piston skirt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10346822 A1 [0002]
DE 4134530 A1 [0002]

Claims

Piston ( 110 . 210 ) for an internal combustion engine, with a piston skirt and a piston head, wherein in the piston head a circumferential annular wall ( 116 . 216 ) with a free circumferential end ( 122 . 222 ) is provided, which has an annular circumferential, in the direction of the piston shaft open cooling channel ( 121 . 221 ) for a coolant, wherein the cooling channel ( 121 . 221 ) with a cover ring ( 125 . 225 ), which at the free circumferential end ( 122 . 222 ) of the annular wall ( 116 . 216 ), characterized in that in the region of the free circumferential end ( 122 . 222 ) of the annular wall ( 116 . 216 ) at least one recess ( 129 . 229 ) is provided, which with the piston center axis (M) forms an acute angle (α) and together with the cover ring ( 125 . 225 ) at least one outlet opening ( 133 . 233 ) forms for the coolant.

Piston according to claim 1, characterized in that the at least one recess ( 129 . 229 ) with the piston center axis (M) forms an angle (α) of 25 ° to 40 °.

Piston according to claim 1, characterized in that the cover ring ( 125 ) at least one with the at least one recess ( 129 ) corresponding recess ( 132 ) and that the at least one recess ( 129 ) and the at least one recess ( 132 ) together the at least one outlet opening ( 133 ) form.

Piston according to claim 3, characterized in that two or more recesses ( 129 ) in the ring wall ( 116 ) and two or more corresponding recesses ( 132 ) are formed.

Piston according to claim 1, characterized in that the cover ring ( 225 ) the at least one recess ( 225 ) is only partially covered and that the at least one recess ( 225 ) and the outer edge ( 234 ) of the cover ring ( 225 ) together the at least one outlet opening ( 233 ) form.

Piston according to claim 5, characterized in that two or more recesses ( 229 ) in the ring wall ( 216 ) are formed.

Piston according to claim 1, characterized in that the at least one recess ( 129 . 229 ) is designed as a rounded milling.

Piston according to claim 1, characterized in that the cover ring ( 125 ) made of a metal sheet and the at least one recess ( 132 ) is formed as a punched.

Piston according to claim 1, characterized in that the piston is a one-piece piston ( 110 . 210 ) having a piston stem connected to the underside of the piston head and spaced from the piston head by an annular recess.

Piston according to claim 1, characterized in that the piston is a two-part piston, which has a with the piston head articulated by a common piston pin piston skirt.