DE102017123197B4

DE102017123197B4 - Pistons

Info

Publication number: DE102017123197B4
Application number: DE102017123197.8A
Authority: DE
Inventors: Mirko Leesch; Roger Budde; Matthias Krause
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2037-10-07
Also published as: DE102017123197A1

Abstract

Kolben (1) mit Kolbendach (4), Kolbenhemd (3) und Kolbenbolzendurchführung (2), welcher einstückig mit einem generativen Fertigungsverfahren herstellbar ist, welcher in seinem Inneren eine, die Kolbenbolzendurchführung (2) umgebende, innerhalb von Kolbendach (4) und Kolbenhemd (3) ausgebildete, das Kolbendach (4) und das Kolbenhemd (3) wenigstens in Teilbereichen mit der Kolbenbolzendurchführung (2) verbindende Stützstruktur aufweist, welche aus den Wandungen einer Vielzahl aneinander angrenzender Kanäle (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5) an der Kolbenunterseite (9) beginnend und an dieser endend in ihrem Verlauf zum Kolbendach (4) führend U-förmig und bogenförmig um die Kolbenbolzendurchführung (2) herum ausgebildet sind und im Bereich zwischen der Kolbenbolzendurchführung (2) und dem Kolbendach (4) eine bogenförmige Form aufweisen, wobei die Kanäle (5) zwischen der Kolbenbolzendurchführung (2) und dem Kolbendach (4) hindurchgeführt sind, wobei die Kanäle (5) im Bereich zwischen der Kolbenbolzendurchführung (2) und dem Kolbendach (4) parallel verlaufen, so dass die Wandungen der Kanäle (5) in einer vom Kolbendach (4) zu einer Unterseite (9) des Kolbens (1) verlaufenden, senkrecht zur Achse der Kolbenbolzendurchführung (2) liegenden Ebene oder in einer parallel zu dieser senkrechten zur Achse der Kolbenbolzendurchführung (2) liegenden Schnittebene eine Stützstruktur übereinander liegender, um die Kolbenbolzendurchführung (2) herumführender Bögen gebildet sind.Piston (1) with piston crown (4), piston skirt (3) and piston pin bushing (2), which can be produced in one piece using an additive manufacturing process, which in its interior has a support structure which surrounds the piston pin bushing (2), is formed within the piston crown (4) and piston skirt (3), connects the piston crown (4) and the piston skirt (3) to the piston pin bushing (2) at least in partial areas, and which is formed from the walls of a large number of adjacent channels (5). characterized in that the ducts (5) starting on the piston underside (9) and ending there, leading to the piston roof (4), are U-shaped and arc-shaped around the piston pin passage (2) and have an arcuate shape in the area between the piston pin passage (2) and the piston roof (4), the ducts (5) being passed between the piston pin passage (2) and the piston roof (4), the ducts (5) being passed in the area between the piston pin passage (2) and run parallel to the piston crown (4), so that the walls of the channels (5) in a plane running from the piston crown (4) to an underside (9) of the piston (1) and lying perpendicular to the axis of the piston pin bushing (2) or in a sectional plane lying parallel to this perpendicular to the axis of the piston pin bushing (2) form a supporting structure of arches lying one on top of the other and leading around the piston pin bushing (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, vorzugsweise für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor.The present invention relates to a piston, preferably for a reciprocating internal combustion engine.

Aus der deutschen Patentschrift DE 41 23 029 C2 ist ein Kolben vorbekannt, der innerhalb eines dünnwandigen Kolbenhüllkörpers eine wabenartige Stützstruktur aufweist. Der Stützkörper ist aus gebogenen Stütz- und verbindenden Stegblechen gebildet und durch Löten verbunden. Eine Kolbenbolzenbuchse ist dabei beidseitig in den Stützkörper eingelassen. Der Stützkörper aus Blech soll bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit und Formstabilität sichern.From the German patent specification DE 41 23 029 C2 a piston is already known which has a honeycomb support structure within a thin-walled piston envelope body. The support body is formed from bent support and connecting web plates and connected by brazing. A piston pin bushing is let into the support body on both sides. The supporting body made of sheet metal should ensure high strength and dimensional stability with low weight.

Weiterhin ist die Fertigung eines Kolbens mit einem generativen Fertigungsverfahren - hier selektives Laserschmelzen - aus der WO 2006/ 008 463 A1 vorbekannt. Es werden konzentrische Rohre durch eine Reihe von Zwischenstücken verbunden, wobei beide mittels selektivem Laserschmelzen gefertigt sein können oder vorgefertigte Rohrstücke miteinander verbunden werden.Furthermore, the production of a piston with an additive manufacturing process - here selective laser melting - from the WO 2006/008 463 A1 previously known. Concentric tubes are joined by a series of connectors, both of which may be manufactured using selective laser melting or prefabricated lengths of tube may be joined together.

Ein zweiteiliger Kolben ist aus der US 6 318 243 B1 bekannt, welcher in seinem Innenteil Bohrungen aufweist, die sich senkrecht zur Kolbenbolzenachse in Richtung Kolbenboden erstrecken.A two-piece piston is from the U.S. 6,318,243 B1 known, which has bores in its inner part, which extend perpendicular to the piston pin axis in the direction of the piston crown.

Weiterhin vorbekannt sind aus der WO 2017/ 086 103 A1 poröse Stützstrukturen, welche eine Kolbenbolzenlagerung mit einem Kolbendach und einem Kolbenhemd verbinden. Diese Stützstrukturen können wabenartig ausgebildet und mittels 3-D-Druck gefertigt sein. Sie erstrecken sich zur Abstützung von der Kolbenbolzenlagerung ausgehend zum Kolbenboden und Kolbenhemd.Also known from the WO 2017/ 086 103 A1 porous support structures that connect a piston pin bearing with a piston crown and a piston skirt. These support structures can have a honeycomb design and can be manufactured using 3D printing. For support, they extend from the piston pin bearing to the piston head and piston skirt.

Aus der Veröffentlichung der deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 000 694 A1 ist ein in einem Schichtbauverfahren hergestellter Kolben bekannt. Während des Fertigungsprozesses werden in diesen Kühlkanäle eingebracht, deren Zu- und Ableitungen sich entlang der Kolbenachse erstrecken und welche im Kolbenboden parallel zu diesem geführt sind. Die Kühlkanäle bilden im Kolbenboden eine Wärmetauscherstrecke.From the publication of the German patent application DE 10 2012 000 694 A1 a piston manufactured in a layer construction process is known. During the manufacturing process, cooling ducts are introduced into these, the inlet and outlet lines of which extend along the piston axis and which are guided parallel to the piston crown. The cooling channels form a heat exchanger section in the piston crown.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hinsichtlich Festigkeit, Kühlung und Formstabilität optimierten Kolben zu schaffen.It is the object of the present invention to create a piston that is optimized in terms of strength, cooling and dimensional stability.

Diese Aufgabe wird mittels eines Kolbens gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen sowie dem Ausführungsbeispiel.This object is achieved by means of a piston according to independent claim 1. Further advantageous refinements can be found in the subclaims and the exemplary embodiment.

Der Kolben weist in seinem Grundaufbau eine übliche Bauform eines Kolbens für Verbrennungsmotoren auf. Der Kolben ist in der Draufsicht auf das Kolbendach vorzugsweise kreiszylindrisch und soll in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Der Kolben kann alternativ eine von der Kreisform abweichende z. B. ovale Grundform aufweisen. In einen Zylinder eingesetzt, begrenzt das Kolbendach den Verbrennungsraum. Der Kolben erstreckt sich innerhalb des Kolbenhemds einstückig ausgehend vom Kolbendach zu dessen radialen Außenflächen und zur Unterseite und schließt eine Kolbenbolzendurchführung ein. Diese kann als Lagerung ausgeführt sein oder es wird eine gesonderte Lagerung, welche von dem Kolben umgeben ist, eingebracht. Die Herstellung der einstückigen Ausführung des Kolbens erfolgt vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff mit einem generativen Fertigungsverfahren wie beispielsweise 3-D-Drucken. Erfindungsgemäß vorteilhaft weist der Kolben in seinem Inneren eine die Kolbenbolzendurchführung umgebende zum Kolbendach und wenigstens in Teilbereichen zum Kolbenhemd verlaufende Stützstruktur auf, welche sich durch die Wandungen einer Vielzahl aneinander angrenzender Kanäle ausbildet. Die Kanalanzahl ist von der Kolbengröße und seinem Einsatzzweck abhängig. Der Kolben weist jedoch eine Mindestanzahl von 6 bogenförmig verlaufenden Kanälen auf. Diese Kanäle sind U-förmig im Kolben verlaufend und bogenförmig um die Kolbenbolzendurchführung herum ausgebildet. Sie beginnen und enden an der Kolbenunterseite und sind von dieser hin zum Kolbendach geführt und reichen weiterhin zwischen der Kolbenbolzendurchführung und dem Kolbendach hindurch. Die Kanäle weisen eine bogenförmige Form um die Kolbenbolzendurchführung herum auf. Erfindungsgemäß vorteilhaft ergibt sich dadurch eine hinsichtlich der Belastung optimierte Steifigkeit insbesondere gegen Verbiegungen des Kolbens um die Kolbenbolzendurchführung. Weiterhin kann der Kolben im Gegensatz zu einem klassischen Schmiede- oder Gusskolben bei gleicher Steifigkeit deutlich leichter ausgeführt sein. Zusätzlich wird die Wärmeübertragung vom Kolbendach zur Kolbenbolzendurchführung reduziert und somit die Temperatur in der Kolbenbolzenlagerung verringert.In its basic structure, the piston has a conventional design of a piston for internal combustion engines. The piston is preferably circular-cylindrical in plan view of the piston roof and is intended to be inserted into a cylinder of an internal combustion engine. Alternatively, the piston can have a z. B. have an oval basic shape. Inserted into a cylinder, the piston crown delimits the combustion chamber. The piston extends integrally within the piston skirt from the piston crown to the radially outer surfaces thereof and to the underside and includes a wrist pin passage. This can be designed as a bearing or a separate bearing, which is surrounded by the piston, is introduced. The one-piece design of the piston is preferably produced from a metallic material using an additive manufacturing process such as 3D printing, for example. According to the invention, the piston advantageously has in its interior a support structure which surrounds the piston pin passage and runs to the piston roof and at least in partial areas to the piston skirt, which is formed by the walls of a large number of adjacent channels. The number of channels depends on the piston size and its purpose. However, the piston has a minimum of 6 arcuate channels. These passages are U-shaped in the piston and arc-shaped around the wrist pin passage. They begin and end on the underside of the piston and are guided from there to the piston crown and continue to extend between the piston pin passage and the piston crown. The channels have an arcuate shape around the wrist pin passage. Advantageously according to the invention, this results in a rigidity that is optimized with regard to the load, in particular against bending of the piston around the piston pin passage. Furthermore, in contrast to a classic forged or cast piston, the piston can be made significantly lighter with the same rigidity. In addition, the heat transfer from the piston crown to the piston pin bushing is reduced, thus lowering the temperature in the piston pin bearing.

Die im Kolben verlaufenden Kanäle sind im Bereich zwischen der Kolbenbolzendurchführung und dem Kolbendach mit geringem Abstand zueinander, aneinander angrenzend und parallel verlaufend ausgeführt. Es können zwischen Kolbenbolzendurchführung und Kolbendach in mehreren Ebenen übereinander angeordnete aneinander angrenzend verlaufende Kanäle angeordnet sein. Die Kanalwandungen bilden dadurch eine wabenartige Stützstruktur in den Ebenen, welche durch oder parallel zur Achse der Kolbenbolzendurchführung verlaufen. Betrachtet man die von der Oberseite des Kolbendachs zum Kolbenhemd hin verlaufende Schnittebene durch die Achse der Kolbenbolzendurchführung oder eine hierzu parallel verlaufende Schnittebene, so bildet sich eine Stützstruktur aneinander angrenzender und ineinander übergehender Stege in vertikaler Richtung am Kolbendach zur Unterseite des Kolbens und in horizontaler Richtung zwischen den radialen Außenflächen des Kolbens. In einer Schnittebene von der Kolbenoberseite zur Unterseite, welche senkrecht zur Achse der Kolbenbolzendurchführung verläuft und in den Ebenen, die parallel zu dieser verlaufen, entsteht eine Struktur übereinander liegender Bögen, welche aus den Wandungen der U-förmig verlaufenden Kanäle entsteht. Diese Stützstruktur übereinander liegender Bögen weist in vorteilhafter Weise eine hohe Steifigkeit gegen ein Verbiegen um die Kolbenbolzendurchführung herum auf.The channels running in the piston are designed in the area between the piston pin passage and the piston roof at a small distance from one another, adjoining one another and running parallel. Channels running adjacent to one another and arranged one above the other in several levels can be arranged between the piston pin passage and the piston crown. As a result, the channel walls form a honeycomb support structure in the planes which run through or parallel to the axis of the piston pin passage. Looking at it from the top of the flask If the sectional plane running towards the piston skirt passes through the axis of the piston pin passage or a sectional plane running parallel thereto, a support structure of adjacent and merging webs is formed in the vertical direction on the piston crown to the underside of the piston and in the horizontal direction between the radial outer surfaces of the piston. In a sectional plane from the upper side of the piston to the lower side, which runs perpendicular to the axis of the piston pin passage and in the planes that run parallel to it, a structure of superimposed arches arises, which arises from the walls of the U-shaped channels. This support structure of superimposed arches advantageously has a high rigidity against bending around the wrist pin passage.

Die unterhalb des Kolbendachs beginnenden, sich in der Ebene der Kolbenbolzendurchführung ausbildenden Stege sichern weiterhin eine Wärmeableitung aus dem Kolbendach. Der Wärmeeintrag in den Kolben kann gleichzeitig gegenüber einem Kolben aus Vollmaterial vermindert werden, da das an den Brennraum angrenzende Kolbendach nicht vollflächig in den Kolben übergeht, sondern die Wärme lediglich über die kleinen Querschnittsflächen der Stege weitergeleitet wird.The webs beginning below the piston crown and forming in the plane of the piston pin passage also ensure heat is dissipated from the piston crown. At the same time, the heat input into the piston can be reduced compared to a piston made of solid material, since the piston crown adjacent to the combustion chamber does not merge into the piston over its entire surface, but the heat is only transmitted via the small cross-sectional areas of the webs.

Erfindungsgemäß vorteilhaft sind die im Kolben verlaufenden Kanäle in ihrem U-förmigen Verlauf durchgängig offen. Die Mehrzahl der Kanäle endet an ihren vom Kolbenboden abgewandten Enden offen auslaufend. Es ist damit ein einfaches Entpulvern während der Fertigung mittels z. B. 3-D-Druck möglich. Es besteht die Möglichkeit, einen Teil der Kanalenden, insbesondere die in den Randbereichen des Kolbens liegenden, nachfolgend zum generativen Erzeugen zu verschließen.Advantageously according to the invention, the channels running in the piston are continuously open in their U-shaped course. The majority of the channels end in an open manner at their ends facing away from the piston head. It is thus a simple depowdering during production using z. B. 3-D printing possible. There is the possibility of subsequently closing part of the channel ends, in particular those lying in the edge regions of the piston, for generative production.

Erfindungsgemäß vorteilhaft weist der Kolben wenigstens einen, innerhalb des Kolbendachs ringförmig an dessen Außenkontur verlaufenden Kühlkanal auf, der mit wenigstens zwei Zu- bzw. Abflusskanälen fluidverbunden ist. Es wird damit in vorteilhafter Weise eine Kühlmöglichkeit in den besonders thermisch belasteten Randbereichen geschaffen. Die Zufuhrkanäle sind dabei getrennt von den bogenförmigen Kanälen ausgeführt. Die am Außenumfang des Kolbens verlaufenden bogenförmigen Kanäle werden um den ringförmigen Kühlkanal herumgeführt oder schließen diesen samt seiner Wandung im Inneren der bogenförmigen Kanäle teilweise ein, ohne eine Verbindung zu diesem aufzuweisen.Advantageously according to the invention, the piston has at least one cooling duct which runs annularly within the piston roof on its outer contour and is fluidly connected to at least two inflow and outflow ducts. A cooling option is thus created in an advantageous manner in the edge regions that are particularly thermally stressed. The feed channels are designed separately from the arcuate channels. The arcuate channels running on the outer circumference of the piston are routed around the ring-shaped cooling channel or partially enclose it together with its wall inside the arcuate channels without having a connection to it.

Erfindungsgemäß vorteilhaft weist der Kolben in einer weiteren Ausführung Kanäle auf, welche an ihren Enden beidseitig trichterförmig verlaufen und somit an ihren Enden einen gegenüber ihrem sonstigen Verlauf verringerten Querschnitt aufweisen. Diese Kanäle befinden sich bevorzugt im Außenbereich des Kolbens und verlaufen bezogen auf die Oberseite des Kolbens direkt benachbart unter dem Kolbendach. Sie weisen beidseitig eine trichterförmige Verjüngung zum Ende bzw. zu ihrer Öffnung hin auf. Die Öffnung mit geringem Querschnitt dient dazu, diese nach dem generativen Fertigungsverfahren und dem Entpulvern des Kanals also dem Abführen der nicht verschmolzenen Masse aus dem gefertigten Monolithen, mit geringem Aufwand verschließen zu können. Das Verschließen erfolgt beispielsweise durch plastisches Verformen, Einschweißen, Einkleben oder ggf. dem Einlöten von Verschlussstopfen. In offene Kanäle kann Öl, welches zur Kühlung an den Kolbenboden gespritzt wird, eindringen und es besteht die Gefahr, dass dies in den thermisch hoch belasteten Bereichen am Kolbendach verkokt. Um ein Schädigung des Öls und eine Anlagerung von Ölkohle in den Kanälen zu vermeiden, werden die Kanäle im Außenbereich nach dem Fertigen und Entpulvern verschlossen. Weiterhin können die verschlossenen Kanäle ein vor dem Verschließen eingebrachtes, temperaturfestes Kühlmedium enthalten. Dieses Kühlmedium kann z. B. Natrium oder Silikonöl sein.Advantageously according to the invention, in a further embodiment, the piston has channels which run in the shape of a funnel on both sides at their ends and thus have a reduced cross-section at their ends compared to their usual course. These channels are preferably located in the outer area of the piston and, in relation to the upper side of the piston, run directly adjacent under the piston roof. They have a funnel-shaped taper on both sides towards the end or towards their opening. The opening with a small cross-section serves to be able to close it with little effort after the generative manufacturing process and the depowdering of the channel, ie the removal of the non-fused mass from the manufactured monolith. Closing is done, for example, by plastic deformation, welding, gluing or, if necessary, soldering in sealing plugs. Oil that is sprayed onto the piston crown for cooling can penetrate into open channels and there is a risk that this will coke up in the thermally highly stressed areas on the piston crown. In order to avoid damage to the oil and accumulation of oil carbon in the channels, the channels are sealed on the outside after they have been manufactured and powdered. Furthermore, the closed channels can contain a temperature-resistant cooling medium that is introduced before they are closed. This cooling medium can, for. B. sodium or silicone oil.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen. Hierbei zeigen:

- 1 den Kolben in einer Ansicht von unten und einer Ansicht von der Seite,
- 2 die Schnittebenen A-A und B-B sowie eine Schnittdarstellung entlang der Ebene B-B,
- 3 eine Schnittdarstellung entlang der Ebene A-A
- 4 die Schnittebene C-C sowie eine Schnittdarstellung entlang der Ebene C-C.
- 5 die Schnittebene D-D sowie eine Schnittdarstellung entlang der Ebene D-D.

Further advantageous configurations can be found in the dependent claims and the description. Here show:

- 1 the piston in a view from below and a view from the side,
- 2 the sectional planes AA and BB as well as a sectional view along the plane BB,
- 3 a sectional view along the plane AA
- 4 the sectional plane CC and a sectional representation along the plane CC.
- 5 the sectional plane DD and a sectional view along the plane DD.

1 zeigt einen Kolben 1 in einer Ansicht von unten (obere Abbildung) und einer Ansicht von der Seite (untere Abbildung). Die Grundbauform des Kolbens 1 entspricht einer üblichen Ausführungsform eines Kolbens 1 für Verbrennungsmotoren. Er weist an seiner zum Brennraum (nicht dargestellt) weisenden Oberseite 10 ein Kolbendach 4 auf. Weiterhin sind eine Kolbenbolzendurchführung 2 und ein Kolbenhemd 3 dargestellt. Die Ansicht von unten zeigt die vom Kolbendach 4 abgewandte Unterseite 9 des Kolbens1, wobei eine Vielzahl von Öffnungen zu erkennen ist. Diese bilden die Enden von offen zur Unterseite 9 des Kolbens 1 auslaufenden Kanälen 5, welche detailliert nachfolgend zu den Figuren zwei bis vier beschrieben werden. 1 shows a piston 1 in a view from below (top figure) and a view from the side (bottom figure). The basic design of the piston 1 corresponds to a conventional embodiment of a piston 1 for internal combustion engines. It has a piston roof 4 on its upper side 10 facing towards the combustion chamber (not shown). Furthermore, a piston pin bushing 2 and a piston skirt 3 are shown. The view from below shows the underside 9 of the piston 1 facing away from the piston roof 4, wherein a large number of openings can be seen. These form the ends of channels 5 which run out openly to the underside 9 of the piston 1 and which are described in detail below with regard to FIGS. two to four.

2 zeigt den Kolben 1 in einer Draufsicht auf dessen Oberseite 10, wobei die Schnittebenen A-A und B-B gezeigt sind. Eine Schnittdarstellung mit Blick auf die Schnittebene B-B ist in 2 (rechte Abbildung) dargestellt. Die Schnittebene B-B verläuft vom Kolbendach 4 zum Kolbenhemd 3 durch die Kolbenbolzendurchführung 2. Die bogenförmig von der Unterseite 9 des Kolbens 1 zum Kolbendach 4 und zwischen diesem und der Kolbenbolzendurchführung 2 hindurch verlaufenden Kanäle 5 werden in der Schnittebene B-B radial aufgeschnitten, so dass deren Querschnitt als Öffnung sichtbar wird. Die eng neben- und übereinander verlaufenden Kanäle 5 bilden durch ihre Kanalwandungen ineinander übergehende Stege 6 aus, welche eine wabenartige Stützstruktur bilden, die sich vom Kolbendach 4 zur Unterseite 9 des Kolbens 1 innerhalb der radialen Außenflächen erstreckt und die Kolbenbolzendurchführung 2 einschließt. Die Kanäle 5 verlaufen im Bereich zwischen Kolbenbolzendurchführung 2 und dem Kolbendach 4 in mehreren zum Kolbendach 4 parallel verlaufenden Ebenen. Die Ebenen enthalten dabei jeweils parallel verlaufende Kanäle 5 im Bereich zwischen der Kolbenbolzendurchführung 2 und dem Kolbendach 4. 2 shows the piston 1 in a plan view on its upper side 10, the sectional planes AA and BB being shown. A sectional view with a view of the section plane BB is in 2 (right figure) shown. The sectional plane BB runs from the piston crown 4 to the piston skirt 3 through the piston pin passage 2. The channels 5 running in an arc from the underside 9 of the piston 1 to the piston crown 4 and between this and the piston pin passage 2 are cut open radially in the sectional plane BB so that their cross section becomes visible as an opening. The channels 5, which run closely next to and above one another, form webs 6 that merge into one another through their channel walls, which form a honeycomb-like support structure that extends from the piston roof 4 to the underside 9 of the piston 1 within the radial outer surfaces and encloses the piston pin bushing 2. The channels 5 run in the area between the piston pin bushing 2 and the piston roof 4 in several planes running parallel to the piston roof 4 . The planes each contain parallel channels 5 in the area between the piston pin passage 2 and the piston crown 4.

3 zeigt den Kolben 1 in einer Schnittebene A-A senkrecht zur Achse der Kolbenbolzendurchführung 2. Die U-förmig im Kolben 1 und bogenförmig um die Kolbenbolzendurchführung 2 verlaufenden Kanäle 5 sind entlang ihres Verlaufs geschnitten, so dass deren U-förmige Erstreckung im Kolben 1 sichtbar wird. Die Kanäle 5 beginnen und enden an der Unterseite 9 des Kolbens 1 und verlaufen im Bereich der Kolbenbolzendurchführung 2 bogenförmig um diese und passieren den Bereich zwischen dieser und dem Kolbendach 4. Es bildet sich in dieser Ebene eine gegen Verbiegungen um die Kolbenbolzendurchführung 2 herum besonders steife Struktur übereinander liegender Bögen. In dieser Schnittebene A-A sind weiterhin die Öffnungen eines radial geschnittenen ringförmigen Kühlkanals 7 sichtbar, welcher keine Verbindung zu den bogenförmigen Kanälen 5 aufweist. Die Kanäle 5 verlaufen um den ringförmigen Kühlkanal 7 herum oder schließen diesen ohne eine Verbindung zueinander samt seiner Wandung ein. 3 shows the piston 1 in a sectional plane AA perpendicular to the axis of the piston pin bushing 2. The channels 5 running in a U-shape in the piston 1 and in an arc around the piston pin bushing 2 are sectioned along their course so that their U-shaped extension in the piston 1 becomes visible. The channels 5 begin and end on the underside 9 of the piston 1 and run in an arc around the piston pin bushing 2 in the area of the piston pin bushing 2 and pass through the area between this and the piston crown 4 Structure of superimposed arches. In this sectional plane AA, the openings of a radially cut annular cooling duct 7 are also visible, which has no connection to the arcuate ducts 5 . The channels 5 run around the ring-shaped cooling channel 7 or enclose it without any connection to one another, together with its wall.

4 zeigt in der oberen Abbildung die Lage der Schnittebene C-C im Kolben 1 und die zugehörige Schnittdarstellung in der unteren Abbildung. Die Schnittebene C-C verläuft oberhalb der Kolbenbolzendurchführung 2 - nicht sichtbar - im Bereich zwischen dieser und dem Kolbendach 4. Es wird in dieser Schnittebene der dort verlaufende Teilbereich der Kanäle 5 sichtbar. Diese verlaufen parallel zueinander und eng aneinander grenzend um die Kolbenbolzendurchführung 2 - nicht sichtbar - und schließen einen ringförmigen Kühlkanal 7 ohne Verbindung zu diesem ein. Der ringförmige Kühlkanal 7 ist mit zwei Zu-/Abflusskanälen 8, deren obere Öffnungen in den Kühlkanal 7 sichtbar sind, verbunden. 4 shows the position of the sectional plane CC in piston 1 in the upper figure and the associated sectional view in the lower figure. The sectional plane CC runs above the piston pin bushing 2—not visible—in the area between this and the piston roof 4. The partial region of the channels 5 running there is visible in this sectional plane. These run parallel to one another and closely adjoin one another around the piston pin bushing 2 - not visible - and enclose an annular cooling channel 7 with no connection thereto. The ring-shaped cooling channel 7 is connected to two inlet/outlet channels 8, the upper openings of which can be seen in the cooling channel 7.

5 zeigt das trichterförmige Ende eines Kanals 5, der im Außenbereich des Kolbens 1 also an dessen Oberseite 10 direkt unter dem Kolbendach 4 und radial entlang der Außenfläche des Kolbens 1 verläuft. Diese Kanäle 5 in diesem Außenbereich weisen trichterförmig gefertigte Enden auf, die in einem gegenüber dem Kanaldurchmesser verengten Ende münden. Diese Form erlaubt ein einfaches Verschließen der Kanäle 5, z. B. durch plastisches Verformen (Verquetschen). Die Kanäle 5 im Außenbereich können weiterhin nach dem Fertigen alternativ oder zusätzlich zum Verschließen durch plastisches Verformen durch ein gesondertes Material abgedichtet oder verklebt werden. Hierzu können Dichtmassen, Klebstoffe o. ä. zum Einsatz kommen, um die Kanäle 5 im Außenbereich luftdicht zu verschließen. Im Bereich des Kolbendachs 4 werden die Wände der Kanäle 5 stark aufgeheizt und weisen Temperaturen auf, die das im Kurbelraum befindliche Motoröl verkoken lassen würden. Um eine Schädigung des Öls und eine Anlagerung von Ölkohle in den Kanälen 5 zu vermeiden, sollen die trichterförmigen Enden der Kanäle 5 plastisch verformt (verquetscht) werden, so dass kein Öl in den Kanal 5 gelangen kann. Durch Dichtmasse oder Klebstoff o. ä. kann der Kanal 5 luftdicht verschlossen werden. Die Kanäle 5 können weiterhin evakuiert werden, um den Druckanstieg bei Erwärmung der im Kanal 5 befindlichen Luft zu minimieren. Alternativ können die Kanäle 5 mit speziellen Gasen (z. B. Stickstoff, Argon o. ä.) gefüllt werden. 5 shows the funnel-shaped end of a channel 5, which runs in the outer area of the piston 1, ie on its upper side 10 directly under the piston roof 4 and radially along the outer surface of the piston 1. These channels 5 in this outer area have funnel-shaped ends which open into an end that is narrower than the channel diameter. This form allows easy closure of the channels 5, z. B. by plastic deformation (squeezing). The channels 5 in the outside area can also be sealed or glued with a separate material after production as an alternative or in addition to being closed by plastic deformation. Sealing compounds, adhesives or the like can be used for this purpose in order to seal the ducts 5 in an airtight manner on the outside. In the area of the piston roof 4, the walls of the channels 5 are heated to a great extent and have temperatures that would cause the engine oil in the crankcase to coke. In order to avoid damage to the oil and accumulation of oil carbon in the channels 5 , the funnel-shaped ends of the channels 5 should be plastically deformed (squeezed) so that no oil can get into the channel 5 . The duct 5 can be sealed airtight by sealing compound or adhesive or the like. The channels 5 can also be evacuated in order to minimize the pressure increase when the air in the channel 5 is heated. Alternatively, the channels 5 can be filled with special gases (e.g. nitrogen, argon or the like).

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die äußeren Kanäle 5 vor dem Verschließen mit einem Kühlmedium wie z. B. Natrium oder einem hochtemperaturfesten Öl zu füllen. Damit kann der Wärmefluss zwischen dem Kolbendach 4 und dem Kolbenhemd 3 verbessert werden. Bei Anspritzen der offenen Wabenstruktur kann durch die große Oberfläche der Wabenstruktur Wärme zusätzlich über das für eine Kühlung genutzte Spritzöl abgeführt werden.Another possibility is to fill the outer channels 5 with a cooling medium such as e.g. B. sodium or a high-temperature resistant oil. The heat flow between the piston crown 4 and the piston skirt 3 can thus be improved. When spraying the open honeycomb structure, heat can also be dissipated via the spray oil used for cooling due to the large surface of the honeycomb structure.

BezugszeichenlisteReference List

11: KolbenPistons
22: KolbenbolzendurchführungGudgeon pin bushing
33: Kolbenhemdpiston shirt
44: Kolbendachpiston roof
55: Kanäle (bogenförmig)canals (arcuate)
66: Stegewebs
77: Kühlkanalcooling channel
88th: Zu-/Abflusskanalinflow/outflow channel
99: Unterseite des Kolbens 1Bottom of piston 1
1010: Oberseite des Kolbens 1Top of piston 1

Claims

Piston (1) with piston crown (4), piston skirt (3) and piston pin bushing (2), which can be produced in one piece using an additive manufacturing process which in its interior has a piston crown (4) and piston skirt that surrounds the piston pin bushing (2). (3) that connects the piston crown (4) and the piston skirt (3) to the piston pin passage (2) at least in some areas, which is formed from the walls of a large number of adjacent channels (5), characterized in that the channels (5) starting on the underside of the piston (9) and ending there, leading to the piston roof (4) in a U-shape and arc-shaped around the piston pin bushing (2) and in the area between the piston pin bushing (2) and the piston roof ( 4) have an arcuate shape, with the channels (5) passing between the piston pin passage (2) and the piston crown (4), the channels (5) running parallel in the area between the piston pin passage (2) and the piston crown (4). , so that the walls of the channels (5) run in a plane running from the piston roof (4) to an underside (9) of the piston (1) and are perpendicular to the axis of the piston pin passage (2) or in a plane parallel to this and perpendicular to the axis of the The sectional plane lying in the piston pin bushing (2) forms a supporting structure of arches lying one on top of the other and leading around the piston pin bushing (2).

Piston (1) after claim 1 , characterized in that the channels (5) run parallel in the area between the piston pin passage (2) and the piston roof (4), so that the walls of the channels (5) extend in a direction from the piston roof (4) to an underside (9) of the Piston (1) running through the axis of the piston pin passage (2) leading or parallel to this cutting plane lying a honeycomb support structure of adjoining webs (6) are formed in the vertical and horizontal direction.

Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (5) are continuously open in their U-shaped course, with a majority of the channels (5) at their ends facing away from the piston roof (4) on the underside (9) of the piston (1) run open.

Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (1) has at least one cooling duct (7) adjacent to the piston roof (4) and running annularly close to the outer contour of the piston (1), which is provided with at least two supply ducts (8) is connected.

Piston (1) after claim 4 , characterized in that the arc-shaped channels (5) running on the outer circumference of the piston (1) are led around the annular cooling channel (7) or partially enclose it, the annular cooling channel (7) being closed off from the arc-shaped channels (5) and has no connection to them.

Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the channels (5) in the outer area, which run directly adjacent under the piston roof (4), have a funnel-shaped end tapering towards their opening on both sides.

Piston (1) after claim 6 , characterized in that the channels (5) in the outer area, which taper funnel-shaped towards the opening, are designed to be closable at both ends and are closed after the generative manufacturing by deforming, welding, gluing or, if necessary, soldering in sealing plugs.

Piston (1) after claim 7 , characterized in that the channels (5) running in the outside area, which are designed to be closed on both sides at their ends, contain a temperature-resistant cooling medium.