DE102012208007A1 - Diesel piston, useful for combustion engine, comprises head that defines dome on its upper side, and metal laminated plastic having layers, which are arranged at portion of dome, where plastic comprises low heat-resistant metal layer - Google Patents

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Abstract

The diesel piston comprises a head that defines a dome (70) on its upper side, and a metal laminated plastic having layers, which are arranged at a portion of the dome. The laminated plastic comprises: a low heat-resistant metal layer, which is placed adjacent to the dome; a high heat-resistant metal layer that is arranged at the upper side of a first metal layer; and a cladding, which extends from the dome and defines annular grooves. The piston defines a cylinder-shaped body, which is made of an aluminum-based material. The dome defines a wave-like surface. The diesel piston comprises a head that defines a dome (70) on its upper side, and a metal laminated plastic having layers, which are arranged at a portion of the dome. The laminated plastic comprises: a low heat-resistant metal layer, which is placed adjacent to the dome; a high heat-resistant metal layer that is arranged at the upper side of a first metal layer; and a cladding, which extends from the dome and defines annular grooves. The piston defines a cylinder-shaped body, which is made of an aluminum-based material. The dome defines a wave-like surface. A portion of the wave-like surface defines a combustion bowl (95). The low heat-resistant metal layer comprises the aluminum-based material. The high heat-resistant metal layer comprises a stainless steel-based material. The dome is formed of laminated plastic.

Description

Erklärung zu verwandten FällenExplanation of related cases

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Nr. 13/110,947, eingereicht am 19 Mai 2011, welche die Priorität der vorläufigen Anmeldung mit der Nr. 61/390 373 beansprucht, eingereicht am 6. Oktober 2010, mit dem Titel ”Diesel Piston With Bi-Metallic Dome”, welche beide demselben Rechtsinhaber gehören wie die vorliegende Anmeldung und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.This application is a continuation-in-part of co-pending application No. 13 / 110,947, filed on May 19, 2011, claiming priority to provisional application No. 61 / 390,373, filed October 6, 2010, entitled "Diesel Piston With Bi-Metallic Dome", both of which are owned by the same assignee as the present application and incorporated herein by reference.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Motorkomponenten und im Spezielleren einen hoch entwickelten Bimetallkolben und eine Möglichkeit, denselben herzustellen.The present invention relates generally to apparatus and methods for casting engine components, and more particularly to a sophisticated bimetallic piston and a way to make the same.

Der Körper eines Kolbens, der in Verbrennungsmotoren (ICEs) verwendet wird, besteht typischerweise aus einem zylindrisch geformten Kopf (auch als Kuppel bezeichnet), von dem aus ein sich abwärts erstreckender Mantel eine oder mehrere Ringnuten aufweist, die in diesem gebildet sind, und auch aus einem oder mehreren Stegen zwischen den Nuten, welche dieselbe radial nach außen gerichtete Abmessung aufweisen wie die nach außen gerichtete Oberfläche des restlichen Mantels. Solche Komponenten werden typischerweise aus leichtgewichtigen Materialien und mit relativ kostengünstigen Formungstechniken hergestellt; gemäß einer bevorzugten Form werden die Kolben aus einer gegossenen aluminiumbasierten Legierung hergestellt. Während sie hohen Verbrennungstemperaturen und Drücken während des Motorbetriebes ausgesetzt sind, schreiben zunehmend strenge Emissions- und Effizienzanforderungen vor, dass zukünftige Kolben gebaut sein müssen, um noch anspruchsvolleren Betriebsbedingungen standzuhalten. Dies wiederum wird die Verwendung von Materialien, die für höhere Temperaturen tauglich sind, und robusten Konstruktionen erforderlich machen. Dies trifft insbesondere auf Kolben zu, die in Dieselmotoren verwendet werden, welche außer, dass sie die vorherrschende Motorform für größere Nutzfahrzeuge darstellen, in zunehmendem Maß verwendet werden, um Personenkraftfahrzeuge zu betreiben. Auf ähnliche Weise weisen Benzinmotoren mit hoher Drehzahl (wie beispielweise Vierzylindermotoren, insbesondere solche mit Turbolader), bei dem Versuch, gleichzeitig die Leistungsausgabe zu maximieren und den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, eine ständig zunehmende Abhängigkeit von heißer brennenden Umgebungen und schnelleren Hubkomponenten auf, von welchen beide den Konstruktionen der Motorkomponenten und des Materials zusätzliche Lasten auferlegen.The body of a piston used in internal combustion engines (ICEs) typically consists of a cylindrically shaped head (also referred to as a dome) from which a downwardly extending skirt has one or more annular grooves formed therein and also one or more lands between the grooves having the same radially outward dimension as the outwardly facing surface of the remainder of the shell. Such components are typically made from lightweight materials and with relatively inexpensive molding techniques; According to a preferred form, the pistons are made of a cast aluminum-based alloy. While exposed to high combustion temperatures and pressures during engine operation, increasingly stringent emission and efficiency requirements dictate that future pistons must be built to withstand even more demanding operating conditions. This, in turn, will require the use of materials suitable for higher temperatures and robust designs. This is particularly true of pistons used in diesel engines, which, in addition to being the dominant engine shape for larger commercial vehicles, are increasingly being used to power passenger cars. Similarly, high-speed gasoline engines (such as four-cylinder engines, especially turbocharged engines) have an ever-increasing reliance on hot-burning environments and faster lift components, both of which attempt to simultaneously maximize power output and minimize fuel consumption impose additional burdens on the engine component and material constructions.

Während zu erwarten ist, dass all die verschiedenen vorstehend erwähnten Kolbenkomponenten zusätzlichen thermo-mechanischen Belastungen unterworfen werden, da mehr Leistung aus kleineren Strukturen herausgeholt wird, ist es die Kuppel, von der zu erwarten ist, dass sie dadurch, dass sie direkt dem Verbrennungsprozess ausgesetzt ist, besonders gefährdet gegenüber einer Beschädigung ist. Fortschritte bei dem Verständnis der Verbrennungsdynamik, die in einer Kammer stattfindet, die durch den Kolben und den Zylinder erzeugt wird, führten zu komplexer geformten Kolbenkuppelkonstruktionen, bei denen abwechselnde Bereiche mit Vertiefungen und Erhöhungen zu einer wellenförmigen Kuppeloberfläche führen. Diese Verbesserungen in der Verbrennungsdynamik behindern ferner die Verwendung leichtgewichtiger Legierungen und verschlimmern ihre begrenzte mechanische und thermische Einsatzmöglichkeit, wobei Aluminiumlegierungen, die herkömmlicherweise zur Gewichtsreduktion in Dieselmotorkolben verwendet wurden, eine begrenzte thermische und mechanische Haltbarkeit aufweisen, die diese inkompatibel für die Anforderungen bei höherer Temperatur eines vollständigeren (und damit Höhertemperatur)-Verbrennungsprozesses macht. Stahlkolben besitzen die Fähigkeit, der extremen Umgebung standzuhalten; allerdings sind sie schwerer als Aluminiumkolben. Dieses Gewichtsproblem wird verschärft durch die hohe Rate der Drehzahl und Beschleunigung in Verbindung mit der Kolbenbewegung, was bedeutet, dass die Nebenstrukturen unter Umständen mit einer noch nachteiligeren Gewichtsbeeinflussung zusätzlich verstärkt werden müssen.While it is expected that all of the various piston components mentioned above will be subjected to additional thermo-mechanical stresses as more power is extracted from smaller structures, it is the dome that is expected to be exposed directly to the combustion process is particularly at risk of damage. Advances in the understanding of combustion dynamics occurring in a chamber created by the piston and cylinder have resulted in more complex shaped piston dome constructions in which alternating regions of pits and bumps result in a wave-shaped dome surface. These improvements in combustion dynamics also hinder the use of lightweight alloys and exacerbate their limited mechanical and thermal utility, with aluminum alloys traditionally used for weight reduction in diesel engine pistons having limited thermal and mechanical durability, making them incompatible with higher temperature requirements more complete (and therefore higher temperature) combustion process. Steel pistons have the ability to withstand the extreme environment; however, they are heavier than aluminum pistons. This weight problem is aggravated by the high rate of speed and acceleration associated with piston movement, which means that the secondary structures may need to be further enhanced with even more detrimental weight control.

Es wurden Versuche unternommen, die Hitzebeständigkeit von hochtemperaturbeständigen Materialien mit dem geringeren Gewicht von Materialien auf Aluminiumbasis in Dieselkolben zu kombinieren. Allerdings haben, wenngleich Verbundstoffkolben den oben genannten Zielen gerecht werden mögen, die Schwierigkeiten in Verbindung mit deren Fertigung viele ihrer Vorteile zunichte gemacht. Dies liegt insbesondere daran, dass Kolben lange Zeit als Gussteile mit gewissen maschinellen Bearbeitungen oder ähnlichen Veränderungen nach dem Gießen hergestellt wurden. Als solches war es schwierig, den vorgegebenen kostengünstigen Ansatz des Gießens mit der Flexibilität einer maßgeschneiderten Materialanordnung in dem Kolben zu kombinieren.Attempts have been made to combine the heat resistance of high temperature resistant materials with the lower weight of aluminum based materials in diesel pistons. However, although composite pistons may meet the above objectives, the difficulties associated with their manufacture have nullified many of their benefits. This is particularly because pistons have long been manufactured as castings with certain machinings or similar changes after casting. As such, it has been difficult to combine the given low cost approach of casting with the flexibility of a custom material arrangement in the piston.

Wie bei den Dieselkolben, die vorstehend diskutiert wurden, ist die Kuppel eines Benzinmotorkolbens ebenso extremen Temperaturen ausgesetzt und kann in Abhängigkeit von der Kuppelkonstruktion (z. B. relativ flach oder stark strukturiert) demselben Typ von Rissbildung wie ein Dieselkolben mit einer Brennraummulde oder mit anderen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche unterworfen sein. Zusätzlich sind die Kuppeln von Benzinmotorkolben typischerweise dünner als die Kuppeln von Dieselkolben, und daher ist es wahrscheinlicher, dass diese sehr schnell Wärme auf andere Bereiche des Kolbens übertragen – wie beispielsweise auf die obere Ringnut. Ein solches erhöhtes Ausgesetztsein erhöht die Notwendigkeit für zusätzliche Maßnahmen in der Ringnut, wie beispielsweise einer Anodisierung der Ringnut oder der Verwendung eines Hochtemperatur-Metalleinsatzes, um eine geeignete Festigkeit zu liefern. Ansätze zur Kühlung können ebenso verwendet werden. Es können Ölkanäle sowohl in Diesel- als auch im Benzinkolben verwendet werden (insbesondere bei Versionen der letzteren mit Turboaufladung), um die Ringnuten und andere Abschnitte des Kolbens zu kühlen, die hohen Wärmelasten ausgesetzt sind. Obwohl die Merkmale wie beispielweise Ringnuteinsätze und Ölkanäle wertvolle Kühlungsfunktionen liefern, verschlimmert ihre Einbindung die Kosten und die Komplexität solcher Hochleistungskolben.As with the diesel pistons discussed above, the dome of a gasoline engine piston is also exposed to extreme temperatures and, depending on the dome construction (eg, relatively shallow or heavily textured) may have the same type of cracking as a diesel piston with a combustion bowl or with others Be subjected to irregularities of the surface. In addition, the domes are of gasoline engine pistons typically thinner than the pistons of diesel pistons, and therefore more likely to transfer heat very quickly to other areas of the piston - such as the upper annular groove. Such increased exposure increases the need for additional measures in the annular groove, such as anodizing the annular groove or using a high temperature metal insert to provide suitable strength. Cooling approaches can also be used. Oil passages can be used in both diesel and gasoline pistons (particularly in versions of the latter with turbocharging) to cool the annular grooves and other portions of the piston that are exposed to high heat loads. Although features such as annular groove inserts and oil channels provide valuable cooling functions, their incorporation aggravates the cost and complexity of such high performance pistons.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dieselkolbens. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Muster für den Kolben vorgesehen wird, der eine Kuppel umfasst; dass eine Kolbenform um das Muster herum gebildet wird, wobei die Form ein Kornmaterial und ein Bindemittel umfasst; dass das Muster aus der Kolbenform entfernt wird; dass ein Bimetallring in der Kolbenform an einer oberen Fläche der Kuppel angeordnet wird; dass eine Metallschmelze in die Kolbenform mit dem Bimetallring eingeleitet wird; dass die Kolbenform mit einem Lösungsmittel für das Bindemittel in Kontakt gebracht wird und dass das Bindemittel und das Korn entfernt werden; dass die Metallschmelze abgekühlt wird; und dass die Metallschmelze erstarren gelassen wird, um den Kolben zu bilden, wobei der Bimetallring zumindest einen Abschnitt der oberen Fläche der Kuppel bildet. In dem vorliegenden Zusammenhang kann der Bimetallring als ein Schichtstoff aus zwei oder mehr metallischen Materialien gebildet sein, wie beispielsweise aus einer Oberschicht aus Edelstahl und einer aluminiumbasierten Unterschicht.One aspect of the invention is a method of manufacturing a diesel piston. In one embodiment, the method includes providing a pattern for the piston that includes a dome; a piston mold is formed around the pattern, the mold comprising a grain material and a binder; that the pattern is removed from the piston mold; that a bimetallic ring is arranged in the piston mold on an upper surface of the dome; that a molten metal is introduced into the piston mold with the bimetallic ring; that the bulb mold is contacted with a solvent for the binder and that the binder and the grain are removed; that the molten metal is cooled; and allowing the molten metal to solidify to form the piston, the bimetallic ring forming at least a portion of the top surface of the dome. In the present context, the bimetal ring may be formed as a laminate of two or more metallic materials, such as a top layer of stainless steel and an aluminum-based backsheet.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Dieselkolben. In einer Ausführungsform umfasst der Dieselkolben einen Körper und eine Kuppel, wobei zumindest ein Abschnitt einer oberen Fläche der Kuppel einen Bimetallring umfasst, der Bimetallring eine erste Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eine zweite Schicht aus Edelstahl umfasst, und wobei die zweite Schicht zumindest einen Abschnitt der oberen Fläche der Kuppel bildet, die erste Schicht mit dem Körper verbunden ist und der Körper Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst.Another aspect of the invention is a diesel piston. In one embodiment, the diesel piston includes a body and a dome, wherein at least a portion of an upper surface of the dome comprises a bimetallic ring, the bimetallic ring comprises a first layer of aluminum or an aluminum alloy and a second layer of stainless steel, and wherein the second layer comprises at least one Section of the upper surface of the dome forms, the first layer is connected to the body and the body comprises aluminum or an aluminum alloy.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor offenbart. Die Kuppeloberfläche des Kolbens ist mit einem Schichtstoffmaterial bedeckt. Ein solcher Kolben wird vorzugsweise (wie der Dieselkolben) durch Gießen gebildet. Der Schichtstoff ist aus zwei (oder mehr) Schichten eines Metalls hergestellt, um eine abdeckende Bimetallschicht oder eine ähnliche Struktur zu bilden. Die bimetallischen Merkmale des Schichtstoffs sind vorteilhaft, wenn dieser mit dem Kopf des Kolbens verbunden wird, da sie die unteren Bereiche des Kolbens gegenüber einer übermäßigen Wärme isolieren und der Kuppel eine Steifigkeit und Festigkeit verleihen. Mit dem Hinzufügen der geschichteten Kolbenabdeckung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass solche weiteren Kühlungsmaßnahmen oder verwandte Maßnahmen, die den Hochleistungs-Diesel- und Benzinkolben zugeordnet sind, wie es hierin erwähnt wurde, vereinfacht werden können, wenn sie nicht vollständig beseitigt werden.According to another aspect of the present invention, a piston for an internal combustion engine is disclosed. The dome surface of the piston is covered with a laminate material. Such a piston is preferably formed (like the diesel piston) by casting. The laminate is made of two (or more) layers of a metal to form a covering bimetallic layer or similar structure. The bimetallic features of the laminate are advantageous when joined to the head of the piston because they insulate the lower portions of the piston from excessive heat and impart rigidity and rigidity to the dome. With the addition of the layered piston cover of the present invention, it is possible that such further cooling measures or related measures associated with the high performance diesel and gasoline pistons as mentioned herein may be simplified if not completely eliminated.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:The following detailed description of specific embodiments is best understood when read in conjunction with the following drawings in which like structures are designated by like reference numerals and in which:

1 eine perspektivische Darstellung eines Dieselkolbens mit einer herkömmlichen metallischen Kuppel gemäß dem Stand der Technik von oben ist; 1 is a perspective view of a diesel piston with a conventional metallic dome according to the prior art from above;

2 eine aufgeschnittene Ansicht des Dieselkolbens von 1 ist; 2 a cutaway view of the diesel piston of 1 is;

3 eine aufgeschnittene Ansicht eines Kolbens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wobei zumindest ein flacher Teil der Kuppel aus einem Bimetallmaterial gebildet ist; 3 5 is a cutaway view of a piston according to an aspect of the present invention, wherein at least a flat portion of the dome is formed of a bimetallic material;

4 eine Benzinmotorversion eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und 4 a gasoline engine version of a piston according to the present invention; and

5 einen Teilschnitt von 4 derart zeigt, dass innere Merkmale und auch die Anordnung des bimetallischen Schichtstoffs freigelegt sind. 5 a partial section of 4 shows such that internal features and also the arrangement of the bimetallic laminate are exposed.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments

Es kann ein Ablationsgießansatz verwendet werden, um einen Kolben mit einer wie gegossenen Kuppel herzustellen, die ein geschichtetes Material umfasst. Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche maschinelle Bearbeitung, welche andere Gießverfahren erfordern, zu gießen. Auf diese Weise kann eine Bimetallgussfläche über zumindest Abschnitte der Kolbenkuppel hinweg angeordnet werden. In einer Form kann der Abschnitt den flachen Bereich von dem äußeren Kolbenumfang zu dem Muldenrand umfassen. Dies könnte insofern vorteilhaft sein, als es, indem die Aufbringung des Schichtstoffes nur auf einen flachen Absatz der Kuppel begrenzt wird, Bereiche verstärkt, die anfällig für hohe thermische Spannungen sind, und bietet einige Isolationsvorteile, während es Gewichtszunahmen bei einem Minimum hält.An ablation casting lug may be used to make a piston with a molded dome comprising a layered material. The use of ablation casting provides the ability to cast the piston with a near net shape dome without the considerable machining required by other casting techniques. In this way, a bimetallic casting surface can be arranged over at least portions of the piston dome. In a form of the Section include the flat portion of the outer piston circumference to the trough edge. This could be advantageous in that, by limiting the application of the laminate to only a flat landing of the dome, it enhances areas susceptible to high thermal stresses and provides some insulation advantages while keeping weight increases to a minimum.

In einer Form kann eine höhertemperaturbeständige Schicht aus Edelstahl als eine der Schichtstoffschichten verwendet werden, während ein Material auf Aluminiumbasis als eine andere dienen kann. Bei einer solchen Konstruktion würde die Niedertemperaturschicht auf Aluminiumbasis an der Kuppelfläche angeordnet werden, während die wärmebeständigere Schicht (wie beispielsweise der zuvor erwähnte Edelstahl) an der Oberseite der ersten Niedertemperaturschicht angeordnet werden würde. Zusätzlich zu der erhöhten Beständigkeit gegenüber thermischer Belastung relativ zu dem Aluminium wird der Edelstahl der Kuppel ein Maß an Steifigkeit verleihen und wegen seiner geringeren thermischen Leitfähigkeit relativ zu dem darunter liegenden Aluminium wird er als eine thermische Sperre wirken, die verhindert, dass sich thermische Ermüdungsrisse an dem Muldenrand bilden. Das Edelstahlmaterial kann auch ein gewisses Maß an Isolation der Ringnuten gegenüber der Verbrennungswärme bereitstellen.In one form, a higher temperature resistant layer of stainless steel may be used as one of the laminate layers, while an aluminum based material may serve as another. With such a construction, the low temperature aluminum-based layer would be placed on the dome surface while the more heat-resistant layer (such as the aforementioned stainless steel) would be placed at the top of the first low temperature layer. In addition to the increased resistance to thermal stress relative to the aluminum, the stainless steel of the dome will impart a degree of rigidity and, because of its lower thermal conductivity relative to the underlying aluminum, will act as a thermal barrier which prevents thermal fatigue cracking form the trough edge. The stainless steel material may also provide some degree of isolation of the annular grooves from the heat of combustion.

In einer speziellen Form ist der Schichtstoff als ein Kuppeleinsatz ausgebildet. Die Verwendung eines eingegossenen Einsatzes eliminiert die Notwendigkeit eines Laserumschmelzens oder Wolfram-Inertgas-Umschmelzens (WIG-Umschmelzens), welches typischerweise verwendet wird, um eine örtlich sehr begrenzte Feinheit zu erzielen.In a special form of the laminate is designed as a dome insert. The use of a cast insert eliminates the need for laser remelting or tungsten inert gas remelting (TIG remelting), which is typically used to achieve very finely localized fineness.

In einer weiteren Form kann ein Gießverfahren verwendet werden, um die Mulde selbst zu bilden. In einer Form kann die Form aus Sand hergestellt sein, der zum Ablationsgießen geeignet ist, sodass komplexe Kuppelformen, einschließlich jener mit einspringenden Merkmalen, einfach und kostengünstig gefertigt werden können.In another form, a casting process may be used to form the trough itself. In one form, the mold may be made of sand suitable for ablation casting, so that complex dome shapes, including those with reentrant features, can be made easily and inexpensively.

Zuerst auf 1 und 2 Bezug nehmend, ist ein herkömmlicher Dieselkolben 1 gezeigt, bei dem die Oberseite des Kolbens 1 in einem Kopf (oder einer Kuppel) 10 endet, der bzw. die einen im Allgemeinen flachen äußeren Umfangsabschnitt und einen ausgesparten Zentralabschnitt 15 aufweist. Die sich abwärts erstreckende Seitenwand weist zahlreiche Nuten 20 auf, die in dieser gebildet sind und unterhalb derer sich ein Mantel 30 in Richtung der Unterseite des Kolbens 1 erstreckt, an der ein Kolbenbolzenloch 40 in dem Kolben 1 gebildet sein kann, um einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) aufzunehmen. Die Legierungen, die für die Kuppel 10 des Dieselkolbens 1 verwendet werden, können anfällig für Frühausfälle sein, insbesondere an den oberen Positionen entlang des im Wesentlichen planaren oberen Abschnitts und auch in dem ausgesparten Zentralabschnitt 15. Eine Rissbildung ist an solchen Positionen besonders vorherrschend, wo Temperaturregimes und Fertigungsbeschränkungen gegebenenfalls nicht ausreichend sind. Die Merkmale, die zum Erhöhen einer Kühlmittelströmung durch den Kolben 1 verwendet werden, können Ölkanäle 45 umfassen, die durch Schmiermittelkanäle 47 versorgt werden, wie es insbesondere in 2 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise können Merkmale, die zum Verbessern der Festigkeit verwendet werden, Einsätze umfassen (wie beispielsweise einen Einsatz 23 für die obere Ringnut), die in einer oder mehreren der Ölringnuten 20 angeordnet sind.First up 1 and 2 Referring to Figure 1, a conventional diesel piston is 1 shown at the top of the piston 1 in a head (or dome) 10 ends, the a generally flat outer peripheral portion and a recessed central portion 15 having. The downwardly extending side wall has numerous grooves 20 on, which are formed in this and below which a coat 30 towards the bottom of the piston 1 extends, at the a piston pin hole 40 in the piston 1 may be formed to receive a piston pin (not shown). The alloys responsible for the dome 10 of the diesel piston 1 may be prone to early failures, particularly at the top positions along the substantially planar upper portion and also in the recessed central portion 15 , Cracking is particularly prevalent at those locations where temperature regimes and manufacturing constraints may not be sufficient. The features used to increase coolant flow through the piston 1 can be used, oil channels 45 include, through lubricant channels 47 be supplied, as in particular in 2 is shown. Similarly, features used to improve strength may include inserts (such as an insert 23 for the upper annular groove) in one or more of the oil ring grooves 20 are arranged.

Als Nächstes auf 3 Bezug nehmend, ist ein Dieselkolben 50 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine Brennraummulde 95 bildet eine Vertiefung oder einen zentralen ausgesparten Abschnitt in der oberen Fläche der Kuppel 70. In dieser Ausführung können die obere Fläche der Kuppel 70 im Allgemeinen und der allgemein ebene äußere Umfang 75 im Speziellen einen bimetallischen ringförmigen Schichtstoff 55 umfassen. In einer Ausführungsform ist der Bimetallring 55 ein Schichtstoff, der eine untere Schicht 60 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eine obere Schicht 65 aus einem hitzebeständigeren Material wie z. B. Edelstahl umfasst. Gemäß einer bevorzugten Form würde die Gesamtdicke des Bimetallschichtstoffes etwa 4 bis etwa 6 mm betragen, wobei der Aluminiumabschnitt etwa 10–20% der Gesamtdicke ausmachen würde, obwohl andere Dicken und Aluminiumprozentanteile ebenso verwendet werden können. Gemäß einer Form könnte der Schichtstoffring 55 durch Pressen hergestellt sein. In einer weiteren Ausführungsform könnte der Schichtstoffring 55 aus einem Edelstahlring (etwa 4 bis etwa 6 mm dick) gebildet sein, der mit einer dünnen Schicht aus Aluminium (z. B. weniger als etwa 100 Mikrometer oder spezieller zwischen etwa 25 und etwa 50 Mikrometer) beschichtet werden könnte. Es versteht sich, dass der Schichtstoffring 55 eine wesentliche Gesamtheit der oberen Fläche der Kuppel 70 bei Konfigurationen (nicht gezeigt) abdeckt, bei denen die Wellenformen in der oberen Fläche entweder minimal, langsam ansteigend oder (in dem Fall einer im Wesentlichen planaren oberen Fläche) nicht existent sind.Next up 3 Referring to, is a diesel piston 50 according to one aspect of the present invention. A combustion bowl 95 forms a depression or central recessed portion in the upper surface of the dome 70 , In this design, the top surface of the dome 70 in general and the generally flat outer circumference 75 in particular a bimetallic annular laminate 55 include. In one embodiment, the bimetal ring 55 a laminate, which is a lower layer 60 made of aluminum or an aluminum alloy and an upper layer 65 made of a more heat-resistant material such. B. stainless steel includes. In a preferred form, the total thickness of the bimetallic laminate would be from about 4 to about 6 mm, with the aluminum portion accounting for about 10-20% of the total thickness, although other thicknesses and percent aluminum may also be used. According to one form, the laminated ring could 55 be made by pressing. In a further embodiment, the laminated ring could 55 may be formed of a stainless steel ring (about 4 to about 6 mm thick) that could be coated with a thin layer of aluminum (e.g., less than about 100 microns, or more specifically, between about 25 and about 50 microns). It is understood that the laminated ring 55 a substantial entirety of the upper surface of the dome 70 in configurations (not shown) where the waveforms in the top surface are either minimal, slowly rising or (in the case of a substantially planar top surface) non-existent.

Gemäß einem bevorzugten Herstellungsansatz kann der Schichtstoff 55 mit dem Rest des Kolbens 70 gegossen werden, indem der Schichtstoff 55 in der Form (wie beispielsweise einer Sandform) als ein Einsatz angeordnet wird, wobei eine untere Schicht 60 des Schichtstoffeinsatzes 55 die Aluminiumlegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sein wird, die metallurgisch an die Legierung gebunden wird, die in der Form zum Herstellen der Kuppel 70 verwendet wird. Die Dicke des Schichtstoffs 55 wird hinreichend sein, um sicherzustellen, dass das Edelstahlmaterial 65 den Rand der Brennraummulde 95 umgibt. Optional kann eine geringfügige maschinelle Kantenbearbeitung erfolgen, um eine abgerundetere Kante zur Spannungskonzentrationsreduktion vorzusehen. Die Edelstahlschicht 65 wird nicht nur einen thermischen Vorteil bereitstellen, wie oben erläutert, sondern auch ihre Oberflächengüte sollte sehr gut sein, was zusätzlich das Vorhandensein von Spannungskonzentrationsauslösern minimiert.According to a preferred manufacturing approach, the laminate 55 with the rest of the piston 70 be poured by the laminate 55 in the form (such as a sand mold) is placed as an insert, wherein a lower layer 60 of the laminate insert 55 The aluminum alloy will be with a low melting point that is metallurgically bonded to the alloy used in the mold to make the dome 70 is used. The thickness of the laminate 55 will be sufficient to ensure that the stainless steel material 65 the edge of the combustion bowl 95 surrounds. Optionally, minor machine edge machining may be performed to provide a more rounded edge for stress concentration reduction. The stainless steel layer 65 not only will provide a thermal advantage as explained above, but also its surface finish should be very good, which additionally minimizes the presence of stress concentration triggers.

Die Verwendung des Ablationsgießverfahrens sollte überall eine viel feinere Mikrostruktur mit daraus folgenden verbesserten Eigenschaften in dem Kolben 50 zur Folge haben. Beispielsweise führt die schnellere Abkühlung in Verbindung mit dem Ablationsgießen zu feineren Mikrostrukturen und besseren mechanischen Eigenschaften (wie durch einen kleineren sekundären Dendritenarmabstand (SDAS) zum Ausdruck gebracht).The use of the ablation casting process should have a much finer microstructure everywhere with consequent improved properties in the bulb 50 have as a consequence. For example, the faster cooling associated with ablation casting results in finer microstructures and better mechanical properties (as evidenced by a smaller secondary dendrite arm spacing (SDAS)).

Wie insbesondere in 3 gezeigt ist, kann ein Ablationsgießansatz verwendet werden, um den Kolben 50 mit einer Kuppel 70, die eine hinterschnittene Brennraummulde 95 im Gusszustand beinhaltet, herzustellen. Ein optionaler innerer Kühlungsdurchgang 80 (der einem Ölkanal 45 im Wesentlichen ähnlich sein kann und Ölzufuhrkanäle aufweisen kann, die den Kanälen 47 im Wesentlichen ähnlich sind, wobei beides in 2 gezeigt ist) kann ebenso einstückig gebildet werden, was von den Kühlungsanforderungen abhängt. Die Ablation verwendet anorganische (d. h. wasserlösliche) Kerne, und es wird Wasser auf die Form gesprüht, welches langsam hinwegspült (daher der Ausdruck „Ablation”) und das Gussteil schnell abkühlt. Die schnelle Abkühlung hat bessere Materialeigenschaften zur Folge, und das Ablationsgießen gestattet, wie vorstehend diskutiert wurde, die Erzeugung von komplexen Teilen mit einer feinen Erstarrungsmikrostruktur. Die Anwendung von Wasser erlaubt es, das Erstarren und Abkühlen der Komponente getrennt voneinander zu steuern (z. B. indem Wasser auf spezifische Gebiete des Gussteiles vor anderen angewendet wird oder indem unterschiedliche Mengen an Wasser auf unterschiedliche Gebiete angewendet werden). Durch Bereitstellung der hohen Erstarrungsraten und der verfeinerten Mikrostruktur, die oft erforderlich sind, um die besseren mechanischen Eigenschaften über den Querschnitt (wie z. B. Zug- und Ermüdungseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) zu erzielen, gestattet es das Ablationsgießen, sowohl komplexe Formen wie z. B. jene, die dünne wie auch dicke Teilstücke kombinieren, als auch jene mit komplexen inneren Kernen zu bilden. Die Eigenschaften über den Querschnitt sind überlegen im Vergleich zu jenen, die mit einem Umschmelzen des Muldenrandes hergestellt werden, was nur für die wünschenswerte feine Mikrostruktur bis zu einer Tiefe nur geringfügig unter der Oberfläche (z. B. wenige mm) sorgt.As in particular in 3 an ablation casting attachment can be used to force the piston 50 with a dome 70 which has an undercut combustion bowl 95 in the cast state involves manufacture. An optional internal cooling passage 80 (the one oil channel 45 may be substantially similar and may have oil supply passages corresponding to the channels 47 are substantially similar, both in 2 is shown) can also be integrally formed, which depends on the cooling requirements. The ablation uses inorganic (ie, water-soluble) cores, and water is sprayed onto the mold, which slowly flushes away (hence the term "ablation") and rapidly cools the casting. Rapid cooling results in better material properties, and ablation casting, as discussed above, allows the production of complex parts with a fine solidification microstructure. The use of water allows one to control the solidification and cooling of the component separately (eg by applying water to specific areas of the casting before others or by applying different amounts of water to different areas). By providing the high solidification rates and refined microstructure often required to achieve better mechanical properties across the cross-section (such as room temperature and elevated temperature tensile and fatigue properties), ablation casting allows for both complex shapes such as For example, those that combine thin and thick sections as well as those with complex inner cores. The properties across the cross section are superior compared to those made by remelting the trough edge, which provides only the desirable fine microstructure to a depth only slightly below the surface (e.g., a few mm).

Das Ablationsgießverfahren ist allgemein in dem U.S.-Patent Nr. 7 121 318 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es wird ein Muster aus einem Material gebildet und es wird eine Form um zumindest einen Abschnitt des Musters herum gebildet. Die Form besteht aus einem Kornmaterial und einem Bindemittel. Das Muster wird aus der Form entfernt, und danach wird eine Metallschmelze in die Form eingeleitet. Die Form wird mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht, und die Metallschmelze wird abgekühlt, sodass sie zumindest teilweise erstarrt, um ein Gussteil zu bilden. Der Abkühlschritt umfasst, dass eine Hülle aus erstarrtem Metall um die Metallschmelze herum mit dem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird.The ablation casting method is generally in the U.S. Patent No. 7,121,318 described herein by reference. A pattern is formed of a material and a shape is formed around at least a portion of the pattern. The mold consists of a grain material and a binder. The pattern is removed from the mold, and then a molten metal is introduced into the mold. The mold is contacted with a solvent, and the molten metal is cooled so that it at least partially solidifies to form a casting. The cooling step includes contacting a shell of solidified metal around the molten metal with the solvent.

Andere Formen des Gießens sind bekannt. Man beachte beispielsweise die U.S.-Patente Nr. 7 164 963 , 7 618 823 und 7 225 049 , von denen jedes Analyseverfahren für das Vollformgießen beschreibt (eine Art von Ablationsgießen) und die durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. Trotzdem ist den vorliegenden Erfindern keine Verwendung dieser oder einer anderen Form des Ablationsgießens zum Bilden von Dieselkolben im Allgemein und insbesondere von Dieselkolben mit einer hinterschnittenen Brennraummulde bekannt. Die Verwendung des Ablationsgießens, wie es hierin diskutiert wird, bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche maschinelle Bearbeitung, welche andere Verfahren erfordern, zu gießen. Somit können die Kuppel 70 und die Brennraummulde 95 gleichzeitig gegossen werden. In einer speziellen Form würden die hinterschnittene Mulde 95 und die inneren Durchgänge (wie beispielsweise die Kühlungsdurchgänge 80) mithilfe einer Einmal-Kornform hergestellt werden, die mittels herkömmlicher Kerntechnologie mit zurückziehbaren Werkzeugen in dem Formwerkzeug hergestellt werden könnte. Im vorliegenden Kontext umfasst die Kornform des Formmediums Quarzsand, Zirkonoxidsand, Chromitsand, keramische Mikrokugeln oder dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.Other forms of casting are known. For example, note the U.S. Patent No. 7,164,963 . 7 618 823 and 7 225 049 each of which describes analytical method for full-mold casting (a type of ablation casting) and which are incorporated by reference herein. Nevertheless, the present inventors are not aware of any use of this or any other form of ablation casting to form diesel pistons in general and, in particular, diesel pistons with an undercut combustion bowl. The use of ablation casting, as discussed herein, provides the ability to cast the piston with a near net shape dome without the considerable machining required by other methods. Thus, the dome 70 and the combustion bowl 95 to be poured at the same time. In a special form would be the undercut trough 95 and the internal passages (such as the cooling passages 80 ) can be made using a disposable granule that could be made using conventional core technology with retractable tools in the mold. In the present context, the grain shape of the molding medium includes, but is not limited to, silica sand, zirconia sand, chromite sand, ceramic microspheres, or the like.

Zu den Vorteilen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung gehören reduzierte Kosten für die maschinelle Bearbeitung, eine verfeinerte Mikrostruktur im Gusszustand für verbesserte mechanische Eigenschaften, wobei die Vorteile eines Sandformgebungsverfahrens (oder eines verwandten Formungsverfahrens) genutzt werden, um einen hinterschnittenen Bereich maßzuschneidern (wie beispielsweise denjenigen, der in 3 in Verbindung mit der Brennraumkuppel 95 gezeigt ist), das Gussteilgewicht zu reduzieren und die Notwendigkeit eines inneren Salzkerns zu eliminieren. Der traditionelle Salzkern könnte durch einen Kornkern aus dem gleichen Material wie die Kolbenform ersetzt sein.Advantages associated with the present invention include reduced machining costs, a refined as-cast microstructure for improved mechanical properties, taking advantage of a sand-forming process (or related molding process) to tailor an undercut area (such as those who in 3 in conjunction with the combustion chamber dome 95 shown), to reduce the casting weight and to eliminate the need for an inner salt core. Of the traditional salt core could be replaced by a kernel of the same material as the flask shape.

Eine verbesserte Materialausbeute kann realisiert werden, indem die großen Speiser eliminiert werden, die oft als Teil eines Kokillengießschrittes verwendet werden. Im Speziellen kann durch Verwenden des Ablationsgießansatzes die inhärent hohe Abkühlrate zulassen, dass der Kolben 50, der gebildet wird, eine homogene Mikrostruktur und zugehörige strukturelle Eigenschaften aufweist.Improved material yield can be realized by eliminating the large feeders that are often used as part of a mold casting step. Specifically, by using the ablation casting attachment, the inherently high cooling rate may allow the piston 50 which is formed, has a homogeneous microstructure and associated structural properties.

Zusätzlich zu der feineren Mikrostruktur und den verbesserten Kolbeneigenschaften gestattet es die Verwendung des Ablationsprozesses, viel feinere Details einschließlich komplizierter Kühlkanäle in das Teil zu gießen, wie beispielsweise einen Ölkanal (Kühlungsdurchgang) 80. Der Prozess reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit einer maschinellen Bearbeitung nach dem Gießen in dem Gebiet um die Kuppel 70 herum, insbesondere was den hinterschnittenen Bereich der Mulde 95 betrifft. Da das Ablationsgießen serienreif ist, ist die Übertragung auf die Fertigung großer Kolbenmengen oder verwandter Komponenten vergleichsweise einfach. Es könnte eine Einmal-Kornform verwendet werden, um zuzulassen, dass die Brennraummulde der Kolbenkuppel und ein Schmier- und Kühlölkanal als Teil des Gussteiles gebildet werden.In addition to the finer microstructure and improved plunger properties, the use of the ablation process allows much finer details, including complicated cooling channels, to be poured into the part, such as an oil passage (cooling passage). 80 , The process reduces or eliminates the need for machining after casting in the area around the dome 70 especially around the undercut area of the trough 95 concerns. Since ablation casting is ready for serial production, the transfer to the manufacture of large quantities of pistons or related components is comparatively simple. A disposable grain form could be used to allow the combustion bowl of the piston dome and a lubricating and cooling oil passage to be formed as part of the casting.

Die Verwendung des Ablationsgießens für den Dieselkolben 50 ist dabei hilfreich, eine beträchtliche mikrostrukturelle Verfeinerung durch Reduzieren oder Beseitigen der Notwendigkeit einer kostspieligen sekundären Bearbeitung wie z. B. maschinelles Bearbeiten oder Umschmelzen zu erreichen. In Fällen, in denen eine verfeinerte Mikrostruktur erwünscht ist, wie z. B. bei der Kante der Mulde 95 oder anderen komplexen 3D-Bereichen des Kolbens 50, kann ein Wolfram-Inertgas-Umschmelzen (WIG-Umschmelzen) oder Laserumschmelzen lokal (im Hinterschnittbereich der Kuppel) durchgeführt werden. Eine nachfolgende maschinelle Bearbeitung, wie z. B., um eine einwandfreie Form der Muldenkante zu erhalten, kann ebenso reduziert oder eliminiert werden.The use of ablation casting for the diesel piston 50 is helpful in achieving significant microstructural refinement by reducing or eliminating the need for costly secondary processing, such as B. machining or remelting to achieve. In cases where a refined microstructure is desired, such as. B. at the edge of the trough 95 or other complex 3D areas of the piston 50 , tungsten inert gas remelting (TIG remelting) or laser remelting may be performed locally (in the undercut area of the dome). A subsequent machining, such. B., to obtain a perfect shape of the trough edge can also be reduced or eliminated.

In einer Form nutzt die Erfindung den Ablationsgießprozess, um die Notwendigkeit großer Speiser an der Kolbenkuppel zu eliminieren. Das Vermögen, die Kuppel rascher und gleichmäßiger abzukühlen, sollte die mechanischen Eigenschaften verbessern. Insbesondere die Einmal-Kornform sollte es zulassen, dass die Brennraummulde 95 im Gusszustand gebildet wird. Des Weiteren kann das Kornformmaterial auch verwendet werden, um den Ölkanal 80 hinter der oberen Ringnut zu bilden, um die Notwendigkeit eines Salzkerns zu eliminieren. Dies gestattet auch eine rasche Prototypherstellung des Kolbens 50, was allgemeine Entwicklungstests verbessern kann.In one form, the invention utilizes the ablation casting process to eliminate the need for large feeders on the piston dome. The ability to cool the dome faster and more uniformly was expected to improve mechanical properties. In particular, the disposable grain shape should allow the combustion bowl 95 is formed in the casting state. Furthermore, the granular material can also be used to seal the oil channel 80 behind the upper annular groove to eliminate the need for a salt core. This also allows rapid prototype production of the piston 50 which can improve general development testing.

Als Nächstes auf 4 und 5 Bezug nehmend, ist eine Benzinversion des Kolbens 100 gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Benzinkolben 100 umfasst eine Kuppel oder einen Kopf 110 mit einem eingekerbten Bereich 115, der im Wesentlichen ein Analogon zu der Mulde 95 des Dieselkolbens 50 ist, der in 3 gezeigt ist, und auch andere stark strukturierte Konturen, Oberflächen oder verwandte Formen, die in der oberen Fläche von diesem gebildet sind. Obwohl die obere Fläche der Kuppel 110 als stark strukturiert gezeigt ist, werden Fachleute einsehen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf Kolben mit einer einfacheren (d. h. flachen) Kuppelfläche anwendbar ist. Die Kuppel 110 weist auch zahlreiche Zentrifugalnuten 120 auf, die in Abwärtsrichtung entlang des im Wesentlichen zylindrischen Profils des Kolbens 100 gebildet sind; diese Nuten (die einzeln als Ringnuten 122, 124 und 126 gezeigt sind) werden als Kompressionsringe und Ölringe verwendet. Wie bei dem Dieselkolben 50 von 1 bis 3 ist die oberste Ringnut 122 den stärksten thermischen Belastungen ausgesetzt, und sie kann daher einen Ringnuteinsatz (nicht gezeigt, aber im Wesentlichen ähnlich dem Ringnuteinsatz 23, der in dem Dieselkolben 50 von 2 gezeigt ist) zur Verwendung in Situationen aufweisen, in denen die Notwendigkeiten des Kolbens bei dem Tragen von Lasten besonders stringent sind. Andere Merkmale, wie beispielsweise Ölspritzeinrichtungen (nicht gezeigt) zum Kühlen des Kolbens 100, können ebenso verwendet werden.Next up 4 and 5 Referring to, is a gasoline version of the piston 100 according to another aspect of the present invention. The gasoline piston 100 includes a dome or a head 110 with a notched area 115 which is essentially an analogue to the trough 95 of the diesel piston 50 is that in 3 and other highly textured contours, surfaces or related shapes formed in the top surface thereof. Although the upper surface of the dome 110 As shown as highly structured, those skilled in the art will appreciate that the present invention is equally applicable to pistons having a simpler (ie, flat) dome surface. The dome 110 also has numerous centrifugal grooves 120 in the downward direction along the substantially cylindrical profile of the piston 100 are formed; these grooves (which individually as ring grooves 122 . 124 and 126 are shown) are used as compression rings and oil rings. As with the diesel piston 50 from 1 to 3 is the topmost ring groove 122 is exposed to the strongest thermal stresses, and therefore may have an annular groove insert (not shown, but substantially similar to the annular groove insert 23 in the diesel piston 50 from 2 shown) for use in situations where the needs of the piston are particularly stringent when carrying loads. Other features, such as oil sprayers (not shown) for cooling the piston 100 , can be used as well.

Bei dieser Konstruktion ist die obere Fläche der Kuppel 110 mit einem Bimetallring 150 bedeckt, der als ein Schichtstoff aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung 154 unter einer Legierung 152 aus Edelstahl (beispielsweise aus Edelstahl der Serie 300) oder einer verwandten wärmebeständigen Legierung hergestellt ist. Wie insbesondere in 5 gezeigt ist, kann ein Ölkanal 160 als eine Möglichkeit verwendet werden, höhere Verbrennungstemperaturen und höhere Spannungen an dem Kolben 100 aufzunehmen, wobei solche Kanäle eingegossen sein können. Das Einbinden des bimetallischen Schichtstoffs 150 hilft dabei, den Kolben 100 zu vereinfachen, indem vorzugsweise die Größe oder Komplexität solcher Kanäle, Ringeinsätze oder Spritzeinrichtungen verringert wird oder indem bevorzugt solche Kanäle, Ringeinsätze oder Spritzeinrichtungen in ihrer Gesamtheit beseitigt werden.In this construction, the upper surface of the dome 110 with a bimetallic ring 150 covered as a laminate of aluminum or an aluminum alloy 154 under an alloy 152 made of stainless steel (for example, stainless steel series 300 ) or a related heat-resistant alloy. As in particular in 5 shown can be an oil channel 160 can be used as a possibility, higher combustion temperatures and higher voltages on the piston 100 absorb, wherein such channels can be cast. The incorporation of the bimetallic laminate 150 helps with the piston 100 preferably by reducing the size or complexity of such channels, ring inserts or sprayers, or preferably by eliminating such channels, ring inserts or sprayers in their entirety.

Wie vorstehend erläutert wurde, beruht die stark strukturierte oder konturierte Natur des Kopfs 110 auf Möglichkeiten, dass die Formgebung den Verbrennungsprozess optimieren kann, wobei der eingekerbte Bereich 115 eine Brennraummulde bilden kann, die mit dem aktivsten Bereich des Verbrennungsprofils zusammenfällt. Obgleich sowohl der Dieselkolben 50 als auch der Benzinkolben 100 theoretisch mit drei Ringen 20, 120 gezeigt sind, die in den entsprechenden Köpfen gebildet sind, ist einzusehen, dass eine geringere oder größere Anzahl solcher Ringe vorhanden sein kann, insbesondere bei dem Dieselkolben 50, bei dem bis zu fünf Ringe verwendet werden können. Der Mantel 130 erstreckt sich in Abwärtsrichtung von dem Kopf 110 und weist ein Kolbenbolzenloch 140 auf, um einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) aufzunehmen, der mit einer Pleuelstange und einer Kurbelwelle (von denen keine gezeigt ist) gekoppelt ist.As explained above, the highly structured or contoured nature of the head is due 110 on ways that the shaping can optimize the combustion process, with the notched area 115 can form a combustion bowl, which coincides with the most active region of the combustion profile. Although both the diesel piston 50 as well as the gasoline piston 100 theoretically with three rings 20 . 120 are shown in the the corresponding heads are formed, it will be appreciated that a smaller or larger number of such rings may be present, especially in the diesel piston 50 in which up to five rings can be used. The coat 130 extends downwards from the head 110 and has a piston pin hole 140 to receive a piston pin (not shown) coupled to a connecting rod and a crankshaft (none of which is shown).

Gemäß einer Form wird der bimetallische Schichtstoff 150 entweder nach dem Gießen in eine flache Scheibe gepresst und anschließend maschinell zu der endgültigen Kuppelform bearbeitet oder direkt in die Kuppelform gegossen, wobei die maschinelle Bearbeitung auf das Entfernen eines Aluminiumgussgrats beschränkt ist, um den Schichtstoff freizulegen.According to one form, the bimetallic laminate becomes 150 either pressed into a flat disc after casting and then machined to the final dome shape or cast directly into the dome shape, the machining being limited to the removal of an aluminum burr to expose the laminate.

Die relativ geringe thermische Leitfähigkeit der Edelstahlschicht 152 isoliert die obere Ringnut 122 und andere kritische Bereiche, wodurch möglicherweise die Notwendigkeit von Einsätzen, Kanälen (beispielsweise des Ölkanals 160) und von Spritzeinrichtungen beseitigt wird. Die Konstruktion des Kolbens (dessen Masse) kann sogar bei der Hinzufügung der Edelstahlschicht 152 optimiert werden.The relatively low thermal conductivity of the stainless steel layer 152 Insulates the upper ring groove 122 and other critical areas, possibly reducing the need for inserts, channels (eg, the oil gallery 160 ) and is eliminated by spraying devices. The construction of the piston (its mass) can even at the addition of the stainless steel layer 152 be optimized.

Der Kolben 100, der mit dem bimetallischen Schichtstoff 150 in den Kuppelflächen gegossen wird, kann durch ein beliebiges von verschiedenen Gussverfahren hergestellt werden, die das zuvor erwähnte Ablationsverfahren umfassen, und auch durch Kokillengießen und Gießen mit Dauerformen unter Verwendung verlorener Formteile. Der Kokillengussprozess oder der Gussprozess mit Dauerformen unter Verwendung verlorener Formteile – die typischer für eine Kolbenherstellung mit hohem Volumen sind – können ebenso verwendet werden, wenn das Schichtstoffmaterial (d. h. das bimetallische Material) in die Kuppel 110 des Kolbens 100 eingebunden wird. Das Schichtstoffmaterial 150 wird in dem Gießformwerkzeug vor der Metallinjektion fixiert, und die endgültige Form der Kuppel 110 wird durch eine maschinelle Bearbeitung erreicht, um die Oberfläche des Schichtstoffmaterials 150 freizulegen. Somit sind die Eigenschaften und Mikrostrukturen für gegenwärtige Produktionskolben typisch. Wichtige Sachverhalte, die zu beachten sind, umfassen (a) das Positionieren des bimetallischen Schichtstoffmaterials 150 in der Form, sodass die Formgebung korrekt ausgerichtet wird und die Edelstahlschicht 152 an der freiliegenden Oberfläche der Kuppel 110 liegt; (b) die Verwendung eines Abschnitts des bimetallischen Materials 150, der dick genug ist, um eine maschinelle Bearbeitung (ein Reinigen) der Oberfläche der Kuppel 110 zu ermöglichen, um überschüssiges gegossenes Aluminium zu entfernen und den Edelstahl mit den korrekten endgültigen Formgebungsdetails freizulegen; und (c) das Verwenden eines nicht zerstörenden Inspektionsverfahrens, um den Grad der Bindung zwischen der Aluminiumseite des bimetallischen Materials und der Oberfläche der gegossenen Aluminiumlegierung zu evaluieren.The piston 100 that with the bimetallic laminate 150 Cast in the dome surfaces can be prepared by any of various casting methods, which include the ablation method mentioned above, and also by permanent mold casting and casting using lost moldings. The chill casting process or die casting process using lost moldings - which are more typical for high volume piston production - can also be used when the laminate material (ie, the bimetallic material) enters the dome 110 of the piston 100 is involved. The laminate material 150 is fixed in the mold tool prior to metal injection, and the final shape of the dome 110 is achieved by machining to the surface of the laminate material 150 expose. Thus, the properties and microstructures for current production pistons are typical. Important issues to consider include (a) positioning of the bimetallic laminate material 150 in the mold so that the shape is correctly aligned and the stainless steel layer 152 on the exposed surface of the dome 110 lies; (b) the use of a portion of the bimetallic material 150 thick enough to machine (clean) the surface of the dome 110 to remove excess cast aluminum and expose the stainless steel with the correct final shaping details; and (c) using a nondestructive inspection method to evaluate the degree of bonding between the aluminum side of the bimetallic material and the surface of the cast aluminum alloy.

Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Ebenso wird der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, einer beliebigen quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen”, wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.It should be understood that terms such as "preferred," "typical," and "typically" are not used herein to limit the scope of the claimed invention or to imply that certain features are critical, essential, or even important to the structure or function of the invention claimed invention. Rather, these terms are intended merely to highlight alternative or additional features that may or may not be used in a particular embodiment of the present invention. It should be understood that in order to describe and define the present invention, the term "device" is used herein to represent a combination of components and individual components regardless of whether the components are combined with other components. Similarly, the term "substantially" is used herein to represent the natural level of uncertainty that may be associated with any quantitative comparison, value, quantitative measurement, or other representation. The term "substantially" is also used herein to represent the degree to which a quantitative representation may differ from a given reference without causing a change in the basic function of the subject under consideration.

Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.While certain representative embodiments and details have been shown to illustrate the invention, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben einen im Wesentlichen zylinderförmigen Körper definiert und umfasst: einen Kopf, der eine Kuppel an dessen Oberseite definiert; einen Metallschichtstoff mit mehreren Schichten, der zumindest an einem Abschnitt der Kuppel angeordnet ist, wobei der Schichtstoff eine weniger hitzebeständige Metallschicht umfasst, die der Kuppel benachbart ist, und eine hitzebeständigere Metallschicht, die an der Oberseite der ersten Metallschicht angeordnet ist, und einen Mantel, der sich von der Kuppel weg erstreckt und zumindest eine Ringnut definiert, die in diesem gebildet ist.Piston for an internal combustion engine, wherein the piston defines a substantially cylindrical body and comprises: a head defining a dome at the top thereof; a multilayer metal laminate disposed on at least a portion of the dome, the laminate comprising a less refractory metal layer adjacent to the dome and a more refractory metal layer disposed on top of the first metal layer, and a jacket extending away from the dome and defining at least one annular groove formed therein. Kolben nach Anspruch 1, wobei der Körper aus einem aluminiumbasierten Material hergestellt ist.Piston according to claim 1, wherein the body is made of an aluminum-based material. Kolben nach Anspruch 1, wobei die Kuppel eine wellenförmige Oberfläche definiert.The piston of claim 1, wherein the dome defines a wavy surface. Kolben nach Anspruch 3, wobei zumindest ein Abschnitt der wellenförmigen Oberfläche eine Brennraummulde definiert.The piston of claim 3, wherein at least a portion of the undulating surface defines a combustion bowl. Kolben nach Anspruch 1, wobei die weniger hitzebeständige Metallschicht ein aluminiumbasiertes Material umfasst.The piston of claim 1, wherein the less heat-resistant metal layer comprises an aluminum-based material. Kolben nach Anspruch 5, wobei die hitzebeständigere Metallschicht ein edelstahlbasiertes Material umfasst.The piston of claim 5, wherein the refractory metal layer comprises a stainless steel based material. Kolben nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Ringnut mehrere Ringnuten umfasst, von denen zumindest eine frei von einem Ringnuteinsatz ist.Piston according to claim 1, wherein the at least one annular groove comprises a plurality of annular grooves, at least one of which is free from a Ringnuteinsatz. Kolben nach Anspruch 1, wobei der Körper frei von einem in diesem gebildeten Ölkanal ist.A piston according to claim 1, wherein the body is free of an oil passage formed therein. Kolben nach Anspruch 1, wobei der Schichtstoff an einer wesentlichen Gesamtheit der Kuppel gebildet ist.A piston according to claim 1, wherein the laminate is formed on a substantial entirety of the dome. Kolben nach Anspruch 1, wobei der Kolben als ein Benzinmotorkolben ausgebildet ist.Piston according to claim 1, wherein the piston is designed as a gasoline engine piston.
DE201210208007 2011-05-19 2012-05-14 Diesel piston, useful for combustion engine, comprises head that defines dome on its upper side, and metal laminated plastic having layers, which are arranged at portion of dome, where plastic comprises low heat-resistant metal layer Ceased DE102012208007A1 (en)

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