DE102017113163B4

DE102017113163B4 - Einteilig ausgebildeter kolben

Info

Publication number: DE102017113163B4
Application number: DE102017113163.9A
Authority: DE
Inventors: Tyson W. BROWN; Anil K. Sachdev; Alin C. Dragoiu; Vincent V. Tiaga
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: US20170363040A1; US10151269B2; CN107524541A; CN107524541B; DE102017113163A1

Abstract

Einteilig ausgebildeter Kolben (10, 200), umfassend:einen Kolbenboden (12);eine Ringpartie (18), die sich von einer Oberfläche des Kolbenbodens (12) zu einem Umfang davon erstreckt, undein Kolbenhemd (20), das sich von der Oberfläche des Kolbenbodens (12) und der Ringpartie (18) erstreckt und eine Vielzahl von Aussteifungsrippen (24) aufweist;dadurch gekennzeichnet , dassdie Ringpartie (18) eine Vielzahl von Ringstegen (36) und mindestens eine Ölleitung (32) beinhaltet, die durch diese verläuft;wobei mindestens eine aus der Vielzahl von Aussteifungsrippen (24) einen Doppel-T-Träger-Querschnitt (28) aufweist und wobei der Kolbenboden (12), die Ringpartie (18) und das Kolbenhemd (20) durch ein additives Herstellungsverfahren einteilig ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und spezieller auf einen einteilig ausgebildeten Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er der Art nach im Wesentlichen aus der DE 10 2009 032 861 A1 bekannt geworden ist.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 10 2013 215 538 A1 , DE 10 2009 056 630 A1 , DE 711 937 A , WO 2010 / 045 145 A1 , WO 2006 / 014 741 A2 , EP 2 623 760 A1 , JP 2012-107 635 A , JP 2001 - 289 117 A , WO 2009 / 006 650 A1 und US 4 702 151 A verwiesen.
EINFÜHRUNG
Motorkolben werden gewöhnlich aus Eisen- oder Aluminiumlegierungen durch ein Guss- und/oder Schmiedeverfahren hergestellt. Kolbenmaterial und - konstruktion tragen zur Gesamtlebensdauer und -leistung eines Motors insgesamt bei. Ein Kolben hat verschiedene Teile, die zu dieser Gesamtlebensdauer und - leistung beitragen. Ein Kolbenboden ist die obere Oberfläche, die Motorverbrennungstemperaturen ausgesetzt ist. Eine Ringpartie, die Verdichtungs- und Ölabstreifringe trägt, erstreckt sich von der Kante des Kolbenbodens. Der Abschnitt am Außendurchmesser des Kolbens, der der Kurbelwelle am nächsten liegt, ist das Kolbenhemd. Das Kolbenhemd hat gekurvte Seitenwände, die sich von der Ringpartie aus erstrecken, um auf den Kolben ausgeübte hin- und hergehende Schubkräfte zu absorbieren. Das Kolbenhemd unterstützt auch die Ausrichtung des Kolbens in der Zylinderbohrung, während er sich beim Takten bewegt. Eine Bolzennabe kann sich zwischen den Hemdwänden zur Aufnahme eines Kolbenbolzens für die Verbindung mit einer Pleuelstange erstrecken.
Motorhersteller sehen sich mit steigenden Anforderungen konfrontiert, um die Wirkungsgrade und Leistung von Motoren zu verbessern, einschließlich, der Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit, der Verbesserung der Kraftstoffverbrennung, der Senkung des Ölverbrauchs und der Steigerung der Abgastemperatur für die nachfolgende Verwendung in der katalytischen Umwandlung von Abgasen. Der Motorkolben bietet viele Möglichkeiten um diese Ziele zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer ersten Anordnung hat ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Bodenabschnitt, eine Ringpartie und eine Vielzahl von Boden- und Hemdtragelementen. Der Bodenabschnitt hat ein Kolbendach und eine Bodenunterseite. Die Ringpartie erstreckt sich von der Bodenunterseite und um den Umfang des Bodenabschnittes. Die Vielzahl von Boden- und Hemdtrageelementen erstreckt sich von der Bodenunterseite und der Ringpartie, um ein Kolbenhemd mit einer Strebenanordnung zu bilden.
In einer anderen Anordnung weist ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Boden, eine Ringpartie und ein Kolbenhemd auf. Die Ringpartie erstreckt sich von einer Oberfläche des Bodens an einem Umfang davon. Die Ringpartie beinhaltet eine Vielzahl von Ringstegen und mindestens eine Ölleitung, die durch diese hindurch verläuft. Das Kolbenhemd erstreckt sich vom Kolbendach und der Ringpartie und weist eine Vielzahl von Aussteifungsrippen auf. Mindestens eines aus der Vielzahl von Aussteifungsrippen weist einen Doppel-T-Träger-Querschnitt auf. Weiterhin sind der Boden, die Ringpartie und das Kolbenhemd durch ein additives Herstellungsverfahren einteilig ausgebildet.
In noch einer anderen Anordnung hat ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Bodenabschnitt mit einem Kolbendach und einer Bodenunterseite. Eine Ringpartie erstreckt sich von der Bodenunterseite an einem Umfang davon. Die Ringpartie beinhalt mindestens einen Ringsteg und mindestens eine Ölleitung, die konturiert ist, um sich um zwei Oberflächen des mindestens einen Ringstegs herum zu erstrecken. Die Ölleitung weist eine Öffnung an der Bodenunterseite zur Aufnahme eines Kühlfluids darin auf, um den mindestens einen Ringsteg zu kühlen. Ein Kolbenhemd erstreckt sich von der Bodenunterseite und der Ringpartie und weist eine Vielzahl von Aussteifungsrippen auf, die in einer Strebenformation angeordnet sind. Mindestens eine aus der Vielzahl der Aussteifungsrippen weist einen Doppel-T-Träger-Querschnitt auf, und eine andere aus der Vielzahl der Aussteifungsrippen weist einen negativen Freiwinkel auf.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens aus 1;
3 ist ein Teilquerschnitt durch den Kolben der 1 im Vergleich mit einem Teilquerschnitt eines früheren Entwurfs des Kolbens; und
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Referenznummern auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen. Des Weiteren werden Richtungsangaben, wie z. B. „oben“, „seitlich“ und „rückwärts“ zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sollen, sofern nicht anders angegeben, nicht zur Erfordernis spezifischer Ausrichtungen führen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein exemplarischer Kolben 10 dargestellt, der durch additive Herstellung (d. h. 3-D Druck oder direktes metallisches Lasersintern) gebildet wurde. Der Kolben 10 beinhalt verschiedene Merkmale unabhängig von der Fertigungstechnik, einschließlich einem Kolbenboden 12 mit einem Kolbendach 14 und einer Bodenunterseite 16. Bei Verwendung ist das Kolbendach 14 Motorverbrennungstemperaturen und Gasen ausgesetzt, während die Bodenunterseite 16 auf Kurbelgehäusefluids einschließlich Luft, Öldampf und flüssigen Öltröpfchen oder -spray ausgesetzt ist. Das Kolbendach 14 kann so gebildet sein, dass es jede bekannte geeignete Gestalt oder Konfiguration für das Bereitstellen eines geeigneten Verbrennungsgasstroms aufweist, abhängig von der konkreten Anwendung, für die der Kolben 10 konstruiert ist. Eine Ringpartie 18 zur Aufnahme von Verdichtungs- und Ölabstreif-Kolbenringen (nicht dargestellt) erstreckt sich abwärts von der Kante des Kolbenbodens 12, um Entlüftungsgase daran zu hindern, entlang dem Umfang des Kolbenbodens 12 auszutreten. Ein Kolbenhemd 20 erstreckt sich von der Ringpartie 18 aus, um Schubkräfte während der Bewegung von Kolben 10 zu absorbieren. Die Bodenunterseite 16 des Kolbens beinhaltet auch ein Paar Bolzennaben 22. Die Bolzennaben 22 weisen Bolzenbohrungen entlang einer Bolzenbohrungsachse zur Aufnahme eines Kolbenbolzens des Kolbens 10 für die Verbindung mit einer Pleuelstange (nicht dargestellt) und schließlich mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) eines Motors auf.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 und 2 bietet das additive Herstellungsverfahren viele Gelegenheiten, in den Kolben 10 Merkmale einzubeziehen, die für Kolbenhersteller zuvor nicht verfügbar waren. Viele dieser Merkmale bieten dem Kolben in einer einteilig ausgebildeten oder Monoblock-Konstruktion funktionelle Festigkeit, während sie auch eine leichtgewichtige Konstruktion ermöglichen. In einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich eine Vielzahl von Boden- und Hemdtrageelementen unterhalb der Bodenunterseite 16 des Kolbens 10. Die Boden- und Hemdtrageelemente können verschiedene Formen annehmen, um die Steifigkeit bei minimaler Masse zu maximieren. So können beispielsweise die Boden- und Hemdtrageelemente eine Vielzahl von Aussteifungsrippen 24 beinhalten, die von der Bodenunterseite 16 und der Ringpartie 18 in Richtung der Bolzennaben 22 verlaufen. Die Aussteifungsrippen 24 können so angeordnet werden, dass sie unterhalb der Bodenunterseite 16 hervorstehen, sodass das Kolbenhemd 20 in einer strebenartigen Formation (z. B. als Stützen 26) angeordnet ist, um die Belastung des Kolbens 10 ohne Fremdmasse zu handhaben. Die Aussteifungsrippen 24 können gerade (d. h. über volle Länge gleich breite) Rippen sein oder die Rippen 24 können entlang ihrer Länge vertieft sein, wie bei einer Doppel-T-Träger- oder ausgebogenen Form, um eine geringere Masse zu bieten. Auf diese Weise können die Aussteifungsrippen 24 Material von nicht belasteten Stellen wesentlich eliminieren. In einem Beispiel können verschiedene Aussteifungsrippen 24 als Doppel-T-Träger 28 ausgebildet sein, die sich mit den Stützen 26 überkreuzen, um die Struktur des Kolbenhemds 20 auszusteifen.
Die Boden- und Hemdtrageelemente können auch Rippen 30 beinhalten, die sich zwischen den Rippen 24 erstrecken, um diese zusätzlichen Halt zu bieten. Die Rippen 30 können mit negativen Freiwinkeln α gebildet werden, wie am besten in 2 dargestellt. Negative Freiwinkel bieten hervorstehenden Elementen bessere Absteifung bei geringer Masse.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und 2 kann der Kolben 10 auch verschiedene Kühlmerkmale beinhalten, die verbesserte Verschleiß- und Materialeigenschaften aufgrund der niedrigeren Kolbentemperaturen bieten. In einem Beispiel beinhaltet der Kolben 10 eine umschlossene oder teilweise umschlossene Ölleitung 32 im Bereich der Ringpartie 18. Die Ölleitung 32 kann zur Bodenunterseite 16 hin bei Öffnung 34 geöffnet sein, sodass Kurbelgehäuseflüssigkeiten (z. B. Öl) aufgenommen werden und nahe dem Kolbendach 14 durch die Ringpartie 18 befördert werden können. Die Ölleitung 32 kann konturiert sein, um sich um obere und untere Flächen des oberen Ringstegs 36 herum zu erstrecken (z. B. C-förmig), wie am besten in 2 dargestellt ist. Auf diesem Wege kann die Ölleitung 32 zur Kühlung der Ringstege beitragen. Die Ölleitung 32 kann in einer ringförmigen Anordnung vollständig um die Ringpartie 18 verlaufen, oder sie kann segmentiert und inkrementell um die Ringpartie 18 beabstandet sein. Durch die Bereitstellung einer segmentierten Anordnung kann die Ölleitung 32 mehrere Öffnungen 34 beinhalten, die eine größere Menge Fluid zum Kühlen hineinlassen. Es ist auch vorgesehen, dass mindestens eine Öffnung 34 auf der Bodenunterseite 16 angeordnet ist, um Kühlöl aus einer oder mehreren Öldüsen (nicht dargestellt) in die Ölleitung 32 aufzunehmen. Die mindestens eine Öffnung 34 kann auch verwendet werden, um das Kühlöl aus der Ölleitung 32 während des Betriebs wieder in das Kurbelgehäuse des Motors abzugeben. Dieser kontinuierliche Zyklus des Öls in der Ölleitung 32 bewirkt die Ableitung von Wärme vom Kolbendach 14, um das Kolbendach 14 zu kühlen, und ermöglicht ihm einen Betrieb unter erhöhten Verbrennungsdrücken und -temperaturen.
Ungleichmäßige Hohlräume 38 können ebenfalls in die Bodenunterseite 16 einbezogen werden, um zusätzliche Masse zu entfernen und zur Kolbenkühlung beizutragen. In einem in 1 gezeigten Beispiel können ungleichmäßige Hohlräume 38 unterhalb der Bolzennaben 22 für zusätzliche Kühlelemente angeordnet werden, und um den Grad der laminaren gegenüber der turbulenten Strömung zu handhaben. Die ungleichmäßigen Hohlräume 38 ermöglichen auch ein größeres Eindringen von Fluid zur Kühlung an den Bolzennaben 22.
In einem anderen in 4 gezeigten Beispiel kann der Kolben 200 ungleichmäßige Hohlräume 238 beinhalten, die die Form von Waben oder eine andere Gitterstruktur annehmen und unterhalb der Bolzennaben 222 angeordnet sind. Die ungleichmäßigen Hohlräume 238 können eine zusätzliche Aussteifung für die Bolzennaben 222 bieten. Die ungleichmäßigen Hohlräume 238 können zu den Bolzennaben 222 hin geöffnet sein, zum leichten Materialabtrag bei der Verarbeitung. Alternativ können diese Waben- oder Gitterstrukturen vollständig im Material des Kolbens 200 eingeschlossen sein. Auf diese Weise können die ungleichmäßigen Hohlräume 238 verwendet werden, um jegliches Volumen zu füllen, wo Masse unerwünscht ist. So könnte beispielsweise ein Teil des Volumens zwischen dem Kolbendach 214 und der Bodenunterseite 216 mit einer vollständig umschlossenen Waben- oder Gitterstruktur erzeugt werden (z. B. der Abschnitt, der sich zwischen den Stützen 226 erstreckt). Auf diese Weise kann eine Kolbenbodentraverse zu einem Kolbenbolzen zusätzliche Steifigkeit erhalten. Ähnlich der Doppel-T-Träger-Struktur können äußere Elemente den größten Teil der Last bei Zug und Druck tragen, wobei die Waben- oder Gitterstruktur durch die neutrale Achse präsent ist.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 wird der Kolben 10 über eine Standardausführung eines Kolbens 100 (gestricheltes Bild) gelegt. Zwischen den hinzugefügten Aussteifungselementen (z. B. Aussteifungen 30) und den hinzugefügten Kühlelementen (z. B. Ölleitung 32, ungleichmäßige Hohlräume 38), kann der Kolben 10 so entworfen werden, dass er eine geringere Höhe der Ringpartie 18, eine geringere Kolbenbolzenlänge (z. B. ist der Abstand zwischen den Bolzennaben 22 reduziert) und weniger Fläche für die Reibung des Kolbens 10 in der Zylinderbohrung aufweist. Mit anderen Worten beinhaltet der Kolben 100 eine Ringpartie-Höhe H1 und der Kolben 10 beinhaltet eine Ringpartie-Höhe H2, wobei die Ringpartie-Höhe H2 geringer ist als die Ringpartie-Höhe H1. Desgleichen beinhaltet der Kolben 100 eine Bolzenbohrungslänge L1 und der Kolben 10 beinhaltet eine Bolzenbohrungslänge L2, wobei die Bolzenbohrungslänge L2 kürzer ist als die Bolzenbohrungslänge L1.
Der Kolben 10 der exemplarischen Ausführungsformen ist für die Verwendung mit einer Bandbreite verschiedener Arten von Verbrennungsmotoren ausgelegt, einschließlich zum Beispiel fremd- oder selbstzündenden Zwei- oder Viertaktverbrennungsmotoren. Weiterhin kann der Kolben der exemplarischen Ausführungsformen im additiven Herstellungsverfahren aus einem Stahlmaterial erzeugt werden, oder er kann mit vielen der oben vorgestellten Merkmale aus einem alternativen Material anstelle von Stahl konstruiert werden.

Claims

Einteilig ausgebildeter Kolben (10, 200), umfassend: einen Kolbenboden (12); eine Ringpartie (18), die sich von einer Oberfläche des Kolbenbodens (12) zu einem Umfang davon erstreckt, und ein Kolbenhemd (20), das sich von der Oberfläche des Kolbenbodens (12) und der Ringpartie (18) erstreckt und eine Vielzahl von Aussteifungsrippen (24) aufweist; dadurch gekennzeichnet , dass die Ringpartie (18) eine Vielzahl von Ringstegen (36) und mindestens eine Ölleitung (32) beinhaltet, die durch diese verläuft; wobei mindestens eine aus der Vielzahl von Aussteifungsrippen (24) einen Doppel-T-Träger-Querschnitt (28) aufweist und wobei der Kolbenboden (12), die Ringpartie (18) und das Kolbenhemd (20) durch ein additives Herstellungsverfahren einteilig ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: mindestens eine Rippe (30), die sich von der Oberfläche des Kolbenbodens (12) erstreckt, um das Kolbenhemd (20) auszusteifen und wobei die mindestens eine Rippe (30) einen negativen Freiwinkel (a) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei der Kolbenboden (12) des Weiteren Folgendes umfasst: eine Waben- oder Gitterstruktur zwischen einem Kolbendach (14, 214) und einer Bodenunterseite des Kolbenbodens (12).
Kolben nach Anspruch 1, wobei das Kolbenhemd (20) des Weiteren Folgendes umfasst: ein Paar Bolzennaben (22, 222), wobei mindestens eine aus der Vielzahl von Aussteifungsrippen (24) eine Waben- oder Gitterstruktur zum Abstützen des Paares von Bolzennaben (22, 222) ist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei die Ölleitung (32) eine Öffnung (34) an der Unterseite des Kolbenbodens (12) zur Aufnahme eines Kühlfluids in diese aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Ringstege (36) einen obersten Ringsteg (36) beinhaltet, der an einer Kolbenbodenseite der Ringpartie (18) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 6, wobei die Ölleitung (32) konturiert ist, um sich um mindestens zwei Oberflächen des obersten Ringstegs (36) herum zu erstrecken.
Kolben nach Anspruch 1, wobei die Ölleitung (32) ringförmig um die Ringpartie (18) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, wobei die Ölleitung (32) segmentiert und inkrementell um die Ringpartie (18) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, wobei das Kolbenhemd (20) eine Strebenanordnung aufweist.