DE102012017218A1

DE102012017218A1 - Piston for internal combustion engine, comprises piston head with piston top and annular portion, where outer wall of cavity adjacent to annular portion is formed inclined partially to piston central axis in direction of piston top

Info

Publication number: DE102012017218A1
Application number: DE201210017218
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bischofberger
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-20

Abstract

The piston head (10) comprises a piston head (11) and a piston shaft (21), where the piston head has a piston top (13) and a circumferential annular portion (16). The piston shaft has a piston hub (22) provided with hub bores, which are connected with one another through running surfaces (24,25). An outer wall (28) of a cavity (17) adjacent to the annular portion is formed inclined partially to the piston central axis (M) in the direction of the piston top. The cavity contains a heat transfer medium (27) in the form of a low-melting metal or a low-melting metal alloy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden abgeschlossenen Hohlraum aufweist, wobei der Kolbenschaft mit Nabenbohrungen versehene Kolbennaben aufweist, welche über Laufflächen miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnete, nach außen verschlossene Bohrung vorgesehen ist, die in den Hohlraum mündet, wobei der Hohlraum und die mindestens eine Bohrung ein Wärmeübertragungsmittel in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung enthalten.The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown, a circumferential ring portion and in the region of the ring part a circumferential closed cavity, said piston shaft having hub bores provided with piston hubs, which via treads with each other wherein at least one disposed between a tread and a hub bore, outwardly sealed bore is provided, which opens into the cavity, wherein the cavity and the at least one bore containing a heat transfer medium in the form of a low-melting metal or a low-melting metal alloy.

Bei einem gattungsgemäßen Kolben ist der bei konventionellen Kolben Kühlöl aufnehmende „Kühlkanal” vollständig abgeschlossen, d. h. es sind weder Einlassöffnungen noch Auslassöffnungen für Wärmeübertragungsmittel vorhanden. Daher wird in Zusammenhang mit einem gattungsgemäßen Kolben nicht von einem Kühlkanal, sondern von einem Hohlraum gesprochen.In a generic piston of the conventional piston cooling oil receiving "cooling channel" is completely completed, d. H. there are no inlet openings or outlet openings for heat transfer medium. Therefore, in connection with a generic piston is not spoken by a cooling channel, but by a cavity.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus der deutschen Patentanmeldung 10 2011 113 800.9 bekannt. Es hat sich gezeigt, dass die Ringpartie im Motorbetrieb wesentlich stärker erwärmt wird, als es bei herkömmlichen Kolben mit einem Kühlöl aufnehmenden Kühlkanal beobachtet wird. Daher besteht die Gefahr, dass im Bereich der Ringpartie Verkokungsrückstände auftreten, welche die Standzeit des gattungsgemäßen Kolbens beeinträchtigen.A generic piston is from the German Patent Application 10 2011 113 800.9 known. It has been found that the ring part is heated much more in the engine operation, as is observed in conventional pistons with a cooling oil receiving cooling channel. Therefore, there is a risk that coking residues occur in the region of the ring part, which affect the service life of the generic piston.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb die Bildung von Verkokungsrückständen im Bereich der Ringpartie vermieden wird.The object of the present invention is to further develop a generic piston so that the formation of coking residues in the region of the ring section is avoided during engine operation.

Die Lösung besteht darin, dass eine zur Ringpartie benachbarte Außenwand des Hohlraums in Richtung des Kolbenbodens zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse hin geneigt ausgebildet ist.The solution consists in that an outer wall of the cavity adjacent to the ring section is designed to be inclined in the direction of the piston head at least partially inclined towards the piston center axis.

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass eine zur Ringpartie benachbarte Außenwand des Hohlraums in Richtung des Kolbenbodens zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse hin geneigt ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die Ringpartie nicht übermäßig aufgeheizt und die Gefahr von Verkokungen im Bereich der Ringpartie vermieden wird. Dieser Effekt beruht im Wesentlichen auf zwei Mechanismen. Durch den Shaker-Effekt im Motorbetrieb wird das Wärmeübertragungsmittel während des Aufwärtshubs im Wesentlichen senkrecht nach unten bewegt. Auch während des Abwärtshubs erfolgt eine etwa senkrechte Bewegung des Wärmeübertragungsmittels nach oben, wenn es aus der mindestens einen Bohrung austritt und dadurch als vertikales Bündel ausgerichtet wird. Dies hat zur Folge, dass das Wärmeübertragungsmittel die geneigt ausgebildete Außenwand kaum oder gar nicht berührt. Ferner ist die Außenwand des Hohlraums im Bereich der Ringpartie verdickt ausgebildet, so dass der Wärmeübergang in Richtung der Ringpartie verringert ist.The piston according to the invention is characterized in that an outer wall of the cavity adjacent to the ring section is designed to be inclined in the direction of the piston head at least partially inclined towards the piston center axis. This configuration has the effect that the ring section is not overheated and the risk of coking in the region of the ring section is avoided. This effect is based essentially on two mechanisms. Due to the shaker effect during engine operation, the heat transfer medium is moved substantially vertically downwards during the upstroke. During the downstroke, too, an approximately vertical movement of the heat transfer medium takes place upwards, when it emerges from the at least one bore and is thereby aligned as a vertical bundle. As a result, the heat transfer medium hardly or not touches the inclined outer wall. Further, the outer wall of the cavity is formed thickened in the region of the ring part, so that the heat transfer is reduced in the direction of the ring part.

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

Zweckmäßigerweise schließt die geneigte Außenwand des Hohlraums mit einer Achsparallele zur Kolbenmittelachse einen Winkel von 1° bis 10° ein. Damit wird vermieden, dass der Hohlraum übermäßig verengt wird und eine wirksame Wärmeübertragung erhalten bleibt.Appropriately, the inclined outer wall of the cavity with an axis parallel to the piston center axis encloses an angle of 1 ° to 10 °. This avoids that the cavity is excessively narrowed and an effective heat transfer is maintained.

Vorzugsweise beträgt die Füllmenge des Wärmeübertragungsmittels 5% bis 10% des Gesamtvolumens des Hohlraums und der mindestens einen Bohrung. Dies hat die vorteilhafte Auswirkung, dass das metallische Wärmeübertragungsmittel die Wärme effektiver in den unteren Bereich des Hohlraums in Richtung des Kolbenschaftes transportiert so dass weniger Wärme in Richtung der Ringpartie abgegeben wird.Preferably, the filling amount of the heat transfer medium is 5% to 10% of the total volume of the cavity and the at least one bore. This has the advantageous effect that the metallic heat transfer medium transports the heat more effectively in the lower region of the cavity in the direction of the piston skirt so that less heat is emitted in the direction of the ring part.

Niedrig schmelzende Metalle, die zur Verwendung als Wärmeübertragungsmittel geeignet sind, sind insbesondere Natrium oder Kalium. Als niedrig schmelzende Metalllegierungen können insbesondere auch Galinstan^®-Legierungen, niedrig schmelzende Bismut-Legierungen oder Natrium-Kalium-Legierungen eingesetzt werden.Low melting metals suitable for use as heat transfer agents are especially sodium or potassium. As a low-melting metal alloys also galinstan ^® alloys, low melting bismuth alloys or sodium-potassium alloys can be used in particular.

Als sog. Galinstan^®-Legierungen werden Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn bezeichnet, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese Legierungen bestehen aus 65 Gew.-% bis 95 Gew.-% Gallium, 5 Gew.-% bis 26 Gew.-% Indium und 0 Gew.-% bis 16 Gew.-% Zinn. Bevorzugte Legierungen sind bspw. solche mit 68 Gew.-% bis 69 Gew.-% Gallium, 21 Gew.-% bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 Gew.-% bis 10,5 Gew.-% Zinn (Schmp. –19°C), 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und 16 Gew.-% Zinn (Schmp. 10,7°C) sowie 59,6 Gew.-% Gallium, 26 Gew.-% Indium und 14,4 Gew.-% Zinn (ternäres Eutektikum, Schmp. 11°C).As so-called. Galinstan ^® alloys alloy systems of gallium, indium and tin are referred to which are liquid at room temperature. These alloys consist of 65 wt% to 95 wt% gallium, 5 wt% to 26 wt% indium and 0 wt% to 16 wt% tin. Preferred alloys are, for example, those with 68% by weight to 69% by weight of gallium, 21% by weight to 22% by weight of indium and 9.5% by weight to 10.5% by weight of tin ( Mp -19 ° C), 62% by weight of gallium, 22% by weight of indium and 16% by weight of tin (mp 10.7 ° C.) and 59.6% by weight of gallium, 26% by weight. -% indium and 14.4 wt .-% tin (ternary eutectic, mp. 11 ° C).

Niedrig schmelzende Bismut-Legierungen sind zahlreich bekannt. Dazu gehören bspw. LBE (eutektische Bismut-Blei-Legierung, Schmp. 124°C), Roses Metall (50 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei und 22 Gew.-% Zinn, Schmp. 98°C), Orionmetall (42 Gew.-% Bismut, 42 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 108°C); Schnelllot (52 Gew.-% Bismut, 32 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmp. 96°C), d'Arcets-Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei und 25 Gew.-% Zinn), Woodsches Metall (50 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 12,5 Gew.-% Zinn und 12,5 Gew.-% Cadmium, Schmp. 71°C), Lipowitzmetall (50 Gew.-% Bismut, 27 Gew.-% Blei, 13 Gew.-% Zinn und 10 Gew.-% Cadmium, Schmp. 70°C), Harpers Metall (44 Gew.-% Bismut, 25 Gew.-% Blei, 25 Gew.-% Zinn und 6 Gew.-% Cadmium, Schmp. 75°C), Cerrolow 117 (44,7 Gew.-% Bismut, 22,6 Gew.-% Blei, 19,1 Gew.-% Indium, 8,3 Gew.-% Zinn und 5,3 Gew.-% Cadmium, Schmp. 47°C); Cerrolow 174 (57 Gew.-% Bismut, 26 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 78,9°C), Fields Metall (32 Gew.-% Bismut, 51 Gew.-% Indium, 17 Gew.-% Zinn, Schmp. 62°C) sowie die Walkerlegierung (45 Gew.-% Bismut, 28 Gew.-% Blei, 22 Gew.-% Zinn und 5 Gew.-% Antimon).Low melting bismuth alloys are well known. These include, for example, LBE (eutectic bismuth-lead alloy, mp. 124 ° C), Roses metal (50 wt .-% bismuth, 28 wt .-% lead and 22 wt .-% tin, mp. 98 ° C) , Orion metal (42 wt% bismuth, 42 wt% lead and 16 wt% Tin, mp. 108 ° C); Quick solder (52 weight percent bismuth, 32 weight percent lead and 16 weight percent tin, mp 96 ° C), d'Arcets metal (50 weight percent bismuth, 25 weight percent lead and 25 wt% tin), Wood's metal (50 wt% bismuth, 25 wt% lead, 12.5 wt% tin and 12.5 wt% cadmium, mp 71 ° C), Lipowitz metal (50 wt% bismuth, 27 wt% lead, 13 wt% tin and 10 wt% cadmium, mp 70 ° C), Harper's metal (44 wt% bismuth, 25 wt%). -% lead, 25 wt .-% tin and 6 wt .-% cadmium, mp. 75 ° C), Cerrolow 117 (44.7 wt .-% bismuth, 22.6 wt .-% lead, 19.1 wt Indium, 8.3 wt% tin, and 5.3 wt% cadmium, mp 47 ° C); Cerrolow 174 (57 wt% bismuth, 26 wt% indium, 17 wt% tin, mp 78.9 ° C), Fields metal (32 wt% bismuth, 51 wt% indium, 17 wt .-% tin, mp 62 ° C) and the Walker alloy (45 wt .-% bismuth, 28 wt .-% lead, 22 wt .-% tin and 5 wt .-% antimony).

Geeignete Natrium-Kalium-Legierungen können 40 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium enthalten. Besonders geeignet ist die eutektische Legierung NaK mit 78 Gew.-% Kalium und 22 Gew.- Natrium (Schmp. –12,6°C).Suitable sodium-potassium alloys may contain from 40% to 90% by weight of potassium. Particularly suitable is the eutectic alloy NaK with 78 wt .-% potassium and 22% by weight of sodium (mp. -12.6 ° C).

Das Wärmeübertragungsmittel kann zusätzlich Lithium und/oder Lithiumnitrid enthalten. Falls beim Befüllen Stickstoff als Schutzgas verwendet wird, kann dieses mit dem Lithium zu Lithiumnitrid abreagieren und auf diese Weise aus dem Hohlraum entfernt werden.The heat transfer medium may additionally contain lithium and / or lithium nitride. If nitrogen is used as the protective gas during filling, it can react with the lithium to form lithium nitride and in this way be removed from the cavity.

Das Wärmeübertragungsmittel kann ferner Natriumoxide und/oder Kaliumoxide enthalten, falls während des Befüllens ggf. vorhandene trockene Luft mit dem Wärmeübertragungsmittel reagiert hat.The heat transfer medium may further contain sodium oxides and / or potassium oxides if, during filling, any existing dry air has reacted with the heat transfer medium.

Vorzugsweise sind vier Bohrungen vorgesehen, die zwischen einer Lauffläche und einer Nabenbohrung angeordnet sind, um eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung im Kolben zu erreichen.Preferably, four holes are provided, which are arranged between a running surface and a hub bore in order to achieve a particularly uniform temperature distribution in the piston.

Die mindestens eine Bohrung ist zweckmäßigerweise mittels eines Verschlusselements verschlossen, um zu vermeiden, dass das Wärmeübertragungsmittel austritt. Das Verschlusselement kann am freien Ende des Kolbenschaftes vorgesehen sein. Bevorzugt ist das Verschlusselement im Kolbenboden vorgesehen, um den Hohlraum und die mindestens eine Bohrung besonders bequem befüllen zu können.The at least one bore is expediently closed by means of a closure element in order to prevent the heat transfer medium from escaping. The closure element may be provided at the free end of the piston skirt. Preferably, the closure element is provided in the piston head in order to fill the cavity and the at least one bore particularly convenient.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:An embodiment of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; 1 an embodiment of a piston according to the invention in section;

2 der Kolben gemäß 1 in einer perspektivischen Darstellung im Schnitt. 2 the piston according to 1 in a perspective view in section.

Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger gegossener Kolben oder ein mehrteiliger gefügter Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem eisenbasierten Werkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Der Kolben 10 ist mit einem metallischen Wärmeübertragungsmittel gefüllt, wie sie weiter oben beschrieben sind.The 1 and 2 show an embodiment of a piston according to the invention 10 , The piston 10 may be a one-piece cast piston or a multi-piece joined piston. The piston 10 can be made of an iron-based material and / or a light metal material. The piston 10 is filled with a metallic heat transfer medium, as described above.

Bevorzugt sind Wärmeübertragungsmittel, die bei Raumtemperatur fest und knetbar sind, bspw. Natrium.Preference is given to heat transfer agents which are solid and kneadable at room temperature, for example sodium.

Die 1 und 2 zeigen beispielhaft einen zweiteiligen gefügten Kastenkolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 14 aufweisenden Kolbenboden 13, einem umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 16 ist ein umlaufender geschlossener Hohlraum 17 vorgesehen, der keine Einlass- oder Auslassöffnungen aufweist.The 1 and 2 show an example of a two-piece joined box piston 10 , The piston 10 has a piston head 11 with a combustion bowl 14 having piston crown 13 , a circulating flint 15 and a circumferential ring section 16 with annular grooves for receiving piston rings (not shown). At the height of the ring section 16 is a circumferential closed cavity 17 provided, which has no inlet or outlet openings.

Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 22 sind in an sich bekannter Weise über Nabenanbindungen mit der Unterseite 12 des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 24, 25 miteinander verbunden.The piston 10 also has a piston stem 21 with piston hubs 22 and hub bores 23 for receiving a piston pin (not shown). The piston hubs 22 are in a conventional manner hub connections with the bottom 12 of the piston head 11 connected. The piston hubs 22 are about treads 24 . 25 connected with each other.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 aus einem Kolbengrundkörper 10a und einem Kolbenringelement 10b zusammengesetzt, die in an sich bekannter Weise durch Schmieden oder Gießen hergestellt, vorbearbeitet und mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens, gefügt werden, woraus umlaufende Schweißnähte 10c, 10d resultieren. Der Kolben 10 kann auch als einteiliger Kolben ausgebildet sein, der in an sich bekannter Weise gegossen wird, wobei insbesondere im Falle eines Aluminiumkolbens vorteilhaft Salzkerne zur Ausbildung des Hohlraums 17 und der Bohrungen 26 (siehe unten) verwendet werden. Selbstverständlich kann bei gegossener Ausführung auch der obere ringförmige Hohlraum 17 als verlorener Kern ausgebildet werden, und die Bohrungen 26 können in an sich bekannter Weise mittels so genannter Pinolen vorgebildet und später aufgebohrt werden. In diesem Fall müssten alle Bohrungen 26 in einem Folgeschritt von unten wiederverschlossen werden, um den Hohlraum 17 nach außen zu schließen.In the present embodiment, the piston 10 from a piston body 10a and a piston ring member 10b assembled, which are prepared in a conventional manner by forging or casting, preprocessed and joined by means of a welding process, in particular a laser welding process, resulting in circumferential welds 10c . 10d result. The piston 10 may also be formed as a one-piece piston, which is cast in a conventional manner, in particular in the case of an aluminum piston advantageous salt cores to form the cavity 17 and the holes 26 (see below). Of course, in cast version, the upper annular cavity 17 are formed as a lost core, and the holes 26 can be preformed in a conventional manner by means of so-called sleeves and drilled later. In this case, all holes would have to 26 in a subsequent step from below be resealed to the cavity 17 to close to the outside.

Der Kolben 10 weist im Ausführungsbeispiel vier Bohrungen 26 auf (vgl. 2). Die Bohrungen 26 verlaufen im Ausführungsbeispiel in etwa axial und parallel zur Kolbenmittelachse M. Die Bohrungen 26 können aber auch geneigt unter einem Winkel zur Kolbenmittelachse M verlaufen (nicht dargestellt). Die Bohrungen 26 sind zwischen einer Lauffläche 24, 25 und einer Nabenbohrung 23 angeordnet. Die Bohrungen 26 münden in den Hohlraum 17. Der Hohlraum 17 und die Bohrungen 26 sind mit einem metallischen Wärmeübertragungsmittel 27 befüllt, im Ausführungsbeispiel Natrium (in 1 in festem Zustand, in 2 in geschmolzenem Zustand im Motorbetrieb).The piston 10 has four holes in the embodiment 26 on (cf. 2 ). The holes 26 run in the embodiment approximately axially and parallel to the piston center axis M. The holes 26 but can also be inclined at an angle to the piston center axis M (not shown). The holes 26 are between a tread 24 . 25 and a hub bore 23 arranged. The holes 26 open into the cavity 17 , The cavity 17 and the holes 26 are with a metallic heat transfer medium 27 filled, in the embodiment sodium (in 1 in solid state, in 2 in molten state during engine operation).

Die Größe der Bohrungen 26 und die Füllmenge des Wärmeübertragungsmittels 27 richten sich nach der Größe und dem Werkstoff des Kolbens 10. Die Wärmeübertragungsleistung kann über die Menge des zugegebenen Wärmeübertragungsmittels 27 bzw. über seinen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, seinen Wärmeübergangskoeffizienten sowie seine spezifische Wärmekapazität gesteuert werden. Die Füllmenge soll vorzugsweise 5% bis 10% des Gesamtvolumens des Hohlraums 17 und der Bohrungen 26 betragen. In diesem Fall kann im Betrieb der an sich bekannte Shaker-Effekt für eine besonders wirksame Wärmeverteilung im Kolben 10 zusätzlich genutzt werden. Für Natrium als Wärmeübertragungsmittel 27 mit einer Temperatur im Betrieb von 320°C ergibt sich bei einer Kühlleistung von 350 kW/m² eine maximale Oberflächentemperatur des Kolbens 10 von etwa 360°C.The size of the holes 26 and the filling amount of the heat transfer medium 27 depend on the size and material of the piston 10 , The heat transfer performance may be over the amount of added heat transfer agent 27 or be controlled by its thermal conductivity coefficient, its heat transfer coefficient and its specific heat capacity. The filling amount should preferably be 5% to 10% of the total volume of the cavity 17 and the holes 26 be. In this case, during operation, the known shaker effect for a particularly effective heat distribution in the piston 10 be used additionally. For sodium as a heat transfer agent 27 with a temperature in operation of 320 ° C results in a cooling capacity of 350 kW / m ^2, a maximum surface temperature of the piston 10 from about 360 ° C.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine zur Ringpartie 16 benachbarte Außenwand 28 des Hohlraums 17 in Richtung des Kolbenbodens 13 zumindest teilweise zur Kolbenmittelachse M hin geneigt ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall schließt die geneigte Außenwand 28 des Hohlraums 17 mit einer Achsparallele A zur Kolbenmittelachse M einen Winkel α von vorzugsweise 1° bis 10° ein. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass die Ringpartie 16 nicht übermäßig aufgeheizt und die Gefahr von Verkokungen an den Ringnuten vermieden wird. Dieser Effekt beruht im Wesentlichen auf zwei Mechanismen. Durch den Shaker-Effekt im Motorbetrieb wird das Wärmeübertragungsmittel 27 während des Aufwärtshubs im Wesentlichen senkrecht nach unten bewegt. Auch während des Abwärtshubs erfolgt eine etwa senkrechte Bewegung des Wärmeübertragungsmittels 27 nach oben, weil es aus der Bohrung 26 austritt und dadurch in Bündelform ausgerichtet wird. Dies hat zur Folge, dass das Wärmeübertragungsmittel 27 die geneigt ausgebildete Außenwand 28 kaum oder gar nicht berührt. Ferner ist die Außenwand 28 des Hohlraums 17 im Bereich der Ringpartie 16 verdickt ausgebildet, so dass der Wärmeübergang in Richtung der Ringpartie 16 verringert ist.According to the invention, it is provided that one to the ring part 16 adjacent outer wall 28 of the cavity 17 in the direction of the piston crown 13 at least partially inclined to the piston center axis M is formed. In the present case, the inclined outer wall closes 28 of the cavity 17 with an axis parallel A to the piston center axis M an angle α of preferably 1 ° to 10 °. This embodiment causes the ring section 16 not overheated and avoids the risk of coking on the annular grooves. This effect is based essentially on two mechanisms. The shaker effect in engine operation becomes the heat transfer medium 27 during the upstroke moves substantially vertically downwards. During the downstroke, too, an approximately vertical movement of the heat transfer medium takes place 27 up, because it's out of the hole 26 exit and thereby aligned in bundle form. This has the consequence that the heat transfer medium 27 the inclined outer wall 28 little or no touch. Furthermore, the outer wall 28 of the cavity 17 in the area of the ring part 16 formed thickened, so that the heat transfer in the direction of the ring section 16 is reduced.

Zur Herstellung des Kolbens 10 werden in an sich bekannter Weise ein Kolbengrundkörper 10a und ein Kolbenringelement 10b durch Schmieden oder Gießen hergestellt und vorbearbeitet. Dann wird das bei Raumtemperatur feste, knetfähige metallische Wärmeübertragungsmittel 27 in den Bereich des Kolbengrundkörpers 10a eingelegt, der im fertigen Kolben 10 einen Teil des Hohlraums 17 bildet (vgl. 1). Es können auch eine oder mehrere der Bohrungen 26 befüllt werden. Dann werden der Kolbengrundkörper 10a und das Kolbenringelement 10b zusammengesetzt und mittels eines Schweißverfahrens, bspw. Laserschweißen, gefügt und fest miteinander verbunden, woraus umlaufende Schweißnähte 10c, 10d resultieren.For the production of the piston 10 be in a conventional manner, a piston body 10a and a piston ring member 10b made by forging or casting and preprocessed. Then, the room temperature solid, kneadable metallic heat transfer medium 27 in the region of the piston main body 10a inserted in the finished piston 10 a part of the cavity 17 forms (cf. 1 ). There may also be one or more of the holes 26 be filled. Then the piston body 10a and the piston ring member 10b assembled and joined by means of a welding process, for example. Laser welding, and firmly connected to each other, from which circumferential welds 10c . 10d result.

Falls ein einteiliger Kolben hergestellt werden soll oder ein bei Raumtemperatur flüssiges metallisches Wärmeübertragungsmittel verwendet wird, muss eine Einfüllöffnung 31, 32 vorhanden sein. Diese Einfüllöffnung kann entweder am freien Ende des Kolbenschaftes 21 bzw. am unteren Ende einer Bohrung 26 (Einfüllöffnung 31 in 2) oder im Kolbenboden 13 (Einfüllöffnung 32 in 1) vorgesehen sein. Die Einfüllöffnung wird nach dem Befüllen mit dem Wärmeübertragungsmittel mittels eines Verschlusselements (Verschlusselement 33 in 2 bzw. Verschlusselement 34 in 1) dicht verschlossen. Das Verschlusselement 33, 34 kann bspw. als eingepresste Stahlkugel, aufgeschweißter Deckel oder eingepresste Kappe ausgebildet sein.If a one-piece flask is to be made or if a metallic liquid heat transfer fluid at room temperature is used, a fill hole must be used 31 . 32 to be available. This filling opening can be either at the free end of the piston skirt 21 or at the bottom of a hole 26 (filling opening 31 in 2 ) or in the piston crown 13 (filling opening 32 in 1 ) be provided. The filling opening is after filling with the heat transfer means by means of a closure element (closure element 33 in 2 or closure element 34 in 1 ) tightly closed. The closure element 33 . 34 can be formed, for example, as a pressed-steel ball, welded lid or pressed-cap.

Zum Befüllen des Kolbens 10 mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmittel wird durch die Einfüllöffnung 31, 32 eine Lanze eingeführt und mittels Stickstoff oder mittels eines anderen geeigneten Inertgases oder mittels trockener Luft gespült. Zur Einführung des Wärmeübertragungsmittels 27 wird dieses unter Schutzgas (bspw. Stickstoff, Inertgas oder trockene Luft) durch die Einfüllöffnung 31, 32 geleitet, so dass das Wärmeübertragungsmittel 27 in den Bohrungen 26 bzw. im Hohlraum 17 aufgenommen wird.To fill the piston 10 with a liquid heat transfer agent is through the filling opening 31 . 32 introduced a lance and rinsed by nitrogen or other suitable inert gas or by dry air. For the introduction of the heat transfer medium 27 this is under protective gas (for example, nitrogen, inert gas or dry air) through the filling opening 31 . 32 directed so that the heat transfer medium 27 in the holes 26 or in the cavity 17 is recorded.

Ein weiteres Verfahren zum Befüllen des Kolbens 10 zeichnet sich dadurch aus, dass nach dem Spülen mit Stickstoff, Inertgas oder trockener Luft die Bohrungen 26 und der Hohlraum 17 evakuiert werden und das Wärmeübertragungsmittel 27 im Vakuum eingebracht wird. Damit kann sich das Wärmeübertragungsmittel 27 leichter im Hohlraum 17 hin und her und in den Bohrungen 26 hinein und hinaus bewegen, da es nicht durch vorhandenes Schutzgas behindert wird.Another method for filling the piston 10 is characterized by the fact that after flushing with nitrogen, inert gas or dry air, the holes 26 and the cavity 17 be evacuated and the heat transfer medium 27 is introduced in a vacuum. Thus, the heat transfer medium 27 lighter in the cavity 17 back and forth and in the holes 26 Move in and out, as it is not hindered by existing inert gas.

Eine andere Möglichkeit, das Schutzgas aus dem Hohlraum 17 bzw. den Bohrungen 26 zu entfernen, besteht darin, dass Stickstoff oder trockene Luft (d. h. im Wesentlichen eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff) als Schutzgas zu verwenden und dem Wärmeübertragungsmittel 27 eine kleine Menge Lithium zuzusetzen, erfahrungsgemäß etwa 1,8 mg bis 2,0 mg Lithium pro Kubikzentimeter Gasraum (d. h. Volumen des Hohlraums 17 plus Volumen der Bohrungen 26). Während bspw. Natrium und Kalium mit Sauerstoff zu Oxiden reagieren, reagiert das Lithium mit Stickstoff zu Lithiumnitrid. Das Schutzgas wird somit praktisch vollständig als Feststoff im Wärmeübertragungsmittel 27 gebunden.Another way, the inert gas from the cavity 17 or the holes 26 to remove, is that nitrogen or dry air (ie, essentially a mixture of nitrogen and oxygen) to use as a protective gas and the heat transfer medium 27 to add a small amount of lithium, according to experience about 1.8 mg to 2.0 mg of lithium per cubic centimeter gas space (ie volume of the cavity 17 plus volume of holes 26 ). While, for example, sodium and potassium react with oxygen to form oxides, the lithium reacts with nitrogen to form lithium nitride. The shielding gas is thus almost completely solid in the heat transfer medium 27 bound.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011113800 [0003]

Claims

Piston ( 10 ) for an internal combustion engine, with a piston head ( 11 ) and a piston stem ( 21 ), wherein the piston head ( 11 ) a piston bottom ( 13 ), a circumferential ring section ( 16 ) as well as in the area of the ring section ( 16 ) a circumferential closed cavity ( 18 ), wherein the piston skirt ( 21 ) with hub bores ( 23 ) provided piston hub ( 22 ), which via treads ( 24 . 25 ), at least one between a tread ( 24 . 25 ) and a hub bore ( 23 ), outwardly closed bore ( 26 ) provided in the cavity ( 17 ), wherein the cavity ( 17 ) and the at least one bore ( 26 ) a heat transfer medium ( 27 ) in the form of a low-melting metal or a low-melting metal alloy, characterized in that one to the ring part ( 16 ) adjacent outer wall ( 28 ) of the cavity ( 17 ) in the direction of the piston crown ( 13 ) is at least partially inclined to the piston center axis (M).

Piston according to claim 1, characterized in that the inclined outer wall ( 28 ) of the cavity ( 17 ) with an axis parallel (A) to the piston center axis (M) forms an angle (α) of 1 ° to 10 °.

Piston according to claim 1, characterized in that the filling quantity of the heat transfer medium ( 27 ) 5% to 10% of the total volume of the cavity ( 17 ) and the at least one bore ( 26 ) is.

Piston according to claim 1, characterized in that it contains sodium or potassium as the low-melting metal.

Piston according to claim 1, characterized in that the low-melting metal alloy from the group comprising galinstan ^® alloys, low melting bismuth alloys and sodium-potassium alloys.

Piston according to claim 1, characterized in that four holes ( 26 ) provided between a tread ( 24 . 25 ) and a hub bore ( 23 ) are arranged.

Piston according to claim 1, characterized in that the at least one bore ( 26 ) by means of a closure element ( 33 . 34 ) is closed.

Piston according to claim 7, characterized in that the closure element ( 33 ) at the free end of the piston skirt ( 21 ) is arranged.

Piston according to claim 7, characterized in that the closure element ( 34 ) in the piston head ( 13 ) is arranged.