DE102019121728B3

DE102019121728B3 - Pistons with an annular cooling chamber for reciprocating internal combustion engines

Info

Publication number: DE102019121728B3
Application number: DE102019121728.8A
Authority: DE
Inventors: Roger Budde
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2019-08-13
Filing date: 2019-08-13
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2039-08-14

Abstract

Die Erfindung stellt einen vorteilhaften Kolben für Hubkolbenbrennkraftmaschinen bereit, welcher hinsichtlich seiner Steifigkeit und hinsichtlich seiner Kühlung verbessert ist. Auf der Unterseite des Kolbenbodens ist eine um die Längsachse des Kolbens herum verlaufende Ringkühlkammer vorgesehen. Zur Aussteifung des Kolbens sind die Ringkühlkammeraußenwandung und die Ringkühlkammerinnenwandung mit den Kolbenbolzennaben verbunden. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ergibt sich zwischen der Ringkühlkammer und dem Kolbenhemd somit ein um die Längsachse des Kolbens ringförmig verlaufender Kolbeninnenraum, welcher die Ringkühlkammer an deren Außenumfang umgibt. In erfindungsgemäß besonders vorteilhafter Weise ist die Ringkühlkammer in ihrem Verlauf um die Längsachse des Kolbens oval ausgeführt. Auf der Unterseite des Kolbenbodens ist zudem wenigstens ein Überströmkanal ausgebildet, welcher den die Ringkühlkammer umgebenden Kolbeninnenraum mit dem Ringkühlkammerinnenraum fluidverbindet. Weiter sind an der Kolbenhemdinnenseite im Bereich zwischen den Kolbenbolzennaben mehrere in Richtung der Längsachse des Kolbens verlaufende Rippen angeordnet. Mittels einer zusätzlichen Kolbenhemdinnenwandung sind die Rippenköpfe miteinander verbunden. Wenigstens eine Rippe ist durch die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung hindurchgeführt beziehungsweise über diese hinaus verlängert und mit einer Kolbenbolzennabe verbunden.The invention provides an advantageous piston for reciprocating internal combustion engines which is improved in terms of its rigidity and in terms of its cooling. An annular cooling chamber running around the longitudinal axis of the piston is provided on the underside of the piston head. To stiffen the piston, the outer wall of the annular cooling chamber and the inner wall of the annular cooling chamber are connected to the piston pin bosses. In an advantageous manner according to the invention, there is thus a piston interior between the annular cooling chamber and the piston skirt which runs in a ring around the longitudinal axis of the piston and which surrounds the annular cooling chamber on its outer circumference. In a particularly advantageous manner according to the invention, the course of the annular cooling chamber around the longitudinal axis of the piston is oval. On the underside of the piston head, at least one overflow channel is also formed, which fluidly connects the piston interior surrounding the annular cooling chamber with the annular cooling chamber interior. Furthermore, several ribs running in the direction of the longitudinal axis of the piston are arranged on the inside of the piston skirt in the area between the piston pin bosses. The rib heads are connected to one another by means of an additional inner skirt wall. At least one rib is passed through the additional piston skirt inner wall or is extended beyond this and is connected to a piston pin hub.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben mit Ringkühlkammer für Hubkolbenbrennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a piston with an annular cooling chamber for reciprocating internal combustion engines according to the features of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Mittels eines Kurbeltriebs in Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in Längsrichtung innerhalb eines Zylinders in eine drehende Bewegung der Kurbelwelle übersetzt. Dabei ist der Kolben den aus der Verbrennung eines Kraftstoffes im Brennraum resultierenden thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen werden maßgeblich von dem für den Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewählten Verfahren bestimmt und haben Einfluss auf die Form, das Material, den Weg und auch die Geschwindigkeit des Kolbens. Dies führt zu unterschiedlichen Ausführungen von Kolben.By means of a crank drive in reciprocating internal combustion engines, the oscillating movement of the piston in the longitudinal direction within a cylinder is translated into a rotating movement of the crankshaft. The piston is exposed to the thermal and mechanical loads resulting from the combustion of a fuel in the combustion chamber. These loads are largely determined by the method selected for operating the reciprocating internal combustion engine and have an influence on the shape, material, path and speed of the piston. This leads to different designs of pistons.

In Abhängigkeit der beim Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen sind die Kolben mit zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung und Aussteifung versehen. Die zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung können in Form von Kühlräumen und Kühlkanälen und die zusätzlichen Einrichtungen zur Aussteifung in Form von Rippen und Streben ausgeführt sein. Diese Einrichtungen zur Kühlung und Aussteifung können sich auf ein oder mehrere Funktionsbestandteile des Kolbens beziehen. So kann der Kolbenboden, welcher den Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine begrenzt, mit zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung und Aussteifung versehen sein. Auch der Ringbereich mit Feuersteg und Kolbenringnuten zur Aufnahme von Kompressions- und Ölabstreifringen, sowie das Kolbenhemd zur Aufnahme des Kolbens im Zylinder mit den Kolbenbolzennaben zur Aufnahme des Kolbenbolzens können zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung und Aussteifung aufweisen.Depending on the thermal and mechanical loads that occur during operation of the reciprocating piston internal combustion engine, the pistons are provided with additional devices for cooling and stiffening. The additional devices for cooling can be designed in the form of cooling spaces and cooling channels and the additional devices for stiffening in the form of ribs and struts. These devices for cooling and stiffening can relate to one or more functional components of the piston. The piston crown, which delimits the combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine, can be provided with additional devices for cooling and stiffening. The ring area with top land and piston ring grooves for receiving compression and oil control rings, as well as the piston skirt for receiving the piston in the cylinder with the piston pin bosses for receiving the piston pin can have additional cooling and stiffening devices.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 3 284 938 A1 ist ein Kolben für einen Zweitaktmotor bekannt, welcher zur Versteifung zwischen Kolbenhemd und Kolbenbolzennabe mindestens eine Verbindungsrippe und zwischen Kolbenhemd und Kolbenboden mindestens eine Rippe aufweist.From the European patent application EP 3 284 938 A1 a piston for a two-stroke engine is known which has at least one connecting rib for reinforcement between the piston skirt and piston pin hub and at least one rib between the piston skirt and piston crown.

Aus der europäischen Patentschrift EP 1 926 903 B1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem zwischen der jeweiligen Kolbenbolzennabe und dem Kolbenhemd eine jeweils in zwei entgegengesetzte Richtungen gekrümmte Stützrippe vorgesehen ist, welche sich hauptsächlich senkrecht zur Achsrichtung der Kolbenbolzennabe erstreckt. Weiter sind die Kolbenbolzennaben mittels einer ringförmigen Stützrippe am Kolbenboden verbunden. Zur weiteren Versteifung ist zudem die jeweilige Kolbenbolzennabe mittels zwei hauptsächlich in axialer Richtung zur Kolbenbolzennabe verlaufenden Stützrippen mit dem Kolbenhemd verbunden.From the European patent specification EP 1 926 903 B1 a piston for an internal combustion engine is known, in which between the respective piston pin boss and the piston skirt a support rib is provided which is curved in two opposite directions and extends mainly perpendicular to the axial direction of the piston pin hub. The piston pin bosses are also connected to the piston crown by means of an annular support rib. For further stiffening, the respective piston pin hub is also connected to the piston skirt by means of two support ribs that run mainly in the axial direction to the piston pin hub.

Aus der Patentanmeldung DE Sc 166 10M AZ geht ein Leichtmetallkolben für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine hervor, welcher ausreichend formsteif, aber dennoch elastisch genug ausgeführt ist. Dazu wird vorgeschlagen, dass eine Querrippe unterhalb der Kolbenbolzennaben und mehrere Längsrippen an der Innenseite des Kolbenhemdes vorzusehen sind. Die Querrippe ist dabei mit den Kolbenbolzennaben und den Längsrippen verbunden.The patent application DE Sc 166 10M AZ shows a light metal piston for a two-stroke internal combustion engine which is designed to be sufficiently dimensionally stable, but nevertheless elastic enough. For this purpose, it is proposed that a transverse rib be provided below the piston pin boss and several longitudinal ribs on the inside of the piston skirt. The transverse rib is connected to the piston pin bosses and the longitudinal ribs.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2017 113 163 A1 ist ein Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bekannt, welcher mit einer Strebenanordnung versehen ist. Diese Strebenanordnung bindet den Kolbenboden, das Kolbenhemd und die Kolbenbolzennaben ein, so dass eine gegenseitige Abstützung erfolgen kann. Die einzelnen Streben sind zudem zu deren Aussteifung wiederrum mit Rippen versehen.From the publication DE 10 2017 113 163 A1 a piston for use in an internal combustion engine is known which is provided with a strut arrangement. This strut arrangement connects the piston crown, the piston skirt and the piston pin bosses so that mutual support can take place. The individual struts are also provided with ribs to stiffen them.

Aus der Patentschrift DE 10 48 087 B ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchem das Kühlmittel in einen am Kolbenboden und Kolbenhemd radial außenliegenden Ringraum mit einer Mehrzahl von Rippen für eine verbesserte Wärmeabfuhr im Sinne einer Pendelkühlung geleitet wird. Das Kühlmittel wird anschließend über Durchbrechungen in einen dem Kolbenboden nahen zentralen Kolbeninnenraum und von dort aus über eine weitere zentrale Öffnung nach unten aus dem Kolben heraus in einen Ölsumpf geleitet. Die Wandung zwischen Ringraum und nach unten offenem Kolbeninnenraum stützt sich dabei auf den Kolbenbolzennaben ab.From the patent specification DE 10 48 087 B a liquid-cooled piston for internal combustion engines is known, in which the coolant is passed into an annular space located radially on the outside of the piston crown and piston skirt and having a plurality of ribs for improved heat dissipation in the sense of pendulum cooling. The coolant is then passed through openings into a central piston interior near the piston crown and from there through a further central opening downward out of the piston into an oil sump. The wall between the annular space and the piston interior, which is open at the bottom, is supported by the piston pin boss.

Aus der Patentschrift DE 11 26 679 B ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, welcher einen äußeren ringförmigen Kühlmittelraum und einen zentralen unter der Mitte des Kolbenbodens liegenden inneren Kühlmittelraum aufweist. Zwischen dem äußeren Kühlmittelraum und dem inneren Kühlmittelraum sind schlitzförmige Kanäle vorgesehen, welche gegenüber der Innenwandung des inneren Kühlmittelraumes geneigt sind, um somit eine Wirbelbewegung im inneren Kühlmittelraum zu erzeugen.From the patent specification DE 11 26 679 B a liquid-cooled piston for internal combustion engines is known which has an outer annular coolant space and a central inner coolant space located below the center of the piston crown. Slit-shaped channels are provided between the outer coolant space and the inner coolant space, which are inclined with respect to the inner wall of the inner coolant space in order to generate a vortex movement in the inner coolant space.

Aus der europäischen Patentschrift EP 2 542 771 B1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, welcher für eine zusätzliche Wärmeisolierung eine zentrale mit Luft gefüllte Kammer unterhalb des Kolbenbodens aufweist. Die Wandungen der Kammer sind mit den Kolbenbolzennaben verbunden, wodurch eine zusätzliche Versteifung des Kolbens erreicht wird.From the European patent specification EP 2 542 771 B1 a piston for an internal combustion engine is known which has a central air-filled piston for additional thermal insulation Has chamber below the piston head. The walls of the chamber are connected to the piston pin bosses, which provides additional reinforcement of the piston.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 3 284 939 A1 geht ein Kolben für einen mit Spülvorlage arbeitenden Zweitaktmotor hervor, bei welchem das Kolbenhemd im Bereich erhöhter Belastungen einen verdickten Bereich aufweist. Um weiter eine erhöhte Steifigkeit und eine verbesserte Wärmeabfuhr vom Kolbenboden zu erreichen, sind mehrere Rippen vorgesehen, welche den Kolbenboden mit dem Kolbenhemd verbinden.From the European patent application EP 3 284 939 A1 shows a piston for a two-stroke engine working with a flushing device, in which the piston skirt has a thickened area in the area of increased loads. In order to further achieve increased rigidity and improved heat dissipation from the piston crown, several ribs are provided which connect the piston crown to the piston skirt.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 061 601 A1 geht ein Kolben für einen Verbrennungsmotor hervor, bei welchem zumindest das Kolbenoberteil pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern hergestellt wird. Der Kolben weist einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren umlaufenden Kühlkanal auf, wobei die Zwischenwand zwischen innerem und äußerem Kühlkanal sowie die innere Wandung des inneren Kühlkanals mit den Kolbenbolzennaben verbunden sind.From the publication DE 10 2007 061 601 A1 a piston for an internal combustion engine emerges, in which at least the upper piston part is produced by powder metallurgy by pressing and sintering. The piston has an outer circumferential cooling channel and an inner circumferential cooling channel, the partition between the inner and outer cooling channel and the inner wall of the inner cooling channel being connected to the piston pin bosses.

Aus der Patentschrift US 1 953 109 A geht ein Kolben mit mehreren miteinander verbundenen ringförmig um die Längsachse des Kolbens herum verlaufenden Kühlkammern hervor. Eine radial außenliegende Wandung und eine radial innenliegende Wandung einer inneren Ringkühlkammer sind mit den Kolbenbolzennaben verbunden, wodurch die innere Ringkühlkammer durch eine dadurch gebildete außenliegende Ringkühlkammer umgeben ist.From the patent specification U.S. 1,953,109 A shows a piston with a plurality of interconnected cooling chambers extending in a ring around the longitudinal axis of the piston. A radially outer wall and a radially inner wall of an inner ring cooling chamber are connected to the piston pin bosses, whereby the inner ring cooling chamber is surrounded by an outer ring cooling chamber formed thereby.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 038 464 A1 geht ein Kolben mit mehreren ringförmig um die Längsachse des Kolbens herum verlaufenden Kühlkammern hervor, wobei eine radial innenliegende Ringkühlkammer von einer radial außenliegenden Ringkühlkammer umgeben ist.From the publication DE 10 2004 038 464 A1 a piston emerges with a plurality of cooling chambers running in a ring around the longitudinal axis of the piston, a radially inner annular cooling chamber being surrounded by a radially outer annular cooling chamber.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Ringkühlkammer für eine verbesserte Steifigkeit und eine verbesserte Kühlwirkung bereitzustellen.The object of the invention is to provide a piston for reciprocating internal combustion engines with an annular cooling chamber for improved rigidity and an improved cooling effect.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird durch einen Kolben mit einer Ringkühlkammer für Hubkolbenbrennkraftmaschinen nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.The object is achieved by a piston with an annular cooling chamber for reciprocating internal combustion engines according to the features of claim 1. Advantageous developments result from the subclaims and the exemplary embodiment.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Erfindung stellt einen vorteilhaften Kolben für Hubkolbenbrennkraftmaschinen bereit, welcher hinsichtlich seiner Steifigkeit und hinsichtlich seiner Kühlung verbessert ist. Der Kolben weist einen den Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine begrenzenden Kolbenboden, ein Kolbenhemd zur Aufnahme des Kolbens in einem Zylinder und mit dem Kolbenhemd verbundene Kolbenbolzennaben zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf. Weiter ist eine Ringpartie vorgesehen, in welcher der Feuersteg und verschiedene Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen angeordnet sind. Auf der Unterseite des Kolbenbodens ist eine um eine Längsachse des Kolbens herum verlaufende Ringkühlkammer vorgesehen. Die Richtung der durch die Mitte des Kolbens verlaufenden Längsachse wird durch die Bewegungsrichtung des hauptsächlich zylinderförmigen Kolbens in der Zylinderbohrung während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine definiert. Dementsprechend entspricht die Längsachse des Kolbens der Symmetrieachse der Zylinderbohrung.The invention provides an advantageous piston for reciprocating internal combustion engines which is improved in terms of its rigidity and in terms of its cooling. The piston has a piston crown delimiting the combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine, a piston skirt for receiving the piston in a cylinder and piston pin bosses connected to the piston skirt for receiving a piston pin. Furthermore, a ring belt is provided in which the top land and various grooves for receiving piston rings are arranged. An annular cooling chamber running around a longitudinal axis of the piston is provided on the underside of the piston head. The direction of the longitudinal axis running through the center of the piston is defined by the direction of movement of the mainly cylindrical piston in the cylinder bore during operation of the reciprocating internal combustion engine. Accordingly, the longitudinal axis of the piston corresponds to the axis of symmetry of the cylinder bore.

Die Ringkühlkammer wird durch den Kolbenboden, durch eine in radialer Richtung des Kolbens außenliegende Ringkühlkammeraußenwandung und durch eine in radialer Richtung des Kolbens innenliegende Ringkühlkammerinnenwandung gebildet. Die radiale Richtung des Kolbens ist dabei in senkrechter Richtung zur Längsachse des Kolbens definiert. Die Ringkühlkammer ist zur Aufnahme von gasförmigem Kühlmittel ausgeführt. Zur Aussteifung des Kolbens sind die Ringkühlkammeraußenwandung und die Ringkühlkammerinnenwandung mit den Kolbenbolzennaben verbunden. Dadurch wird der Kolbenboden gegenüber den Kolbenbolzennaben abgestützt. Des Weiteren ergibt sich durch die Verbindung der Ringkühlkammeraußenwandung und der Ringkühlkammerinnenwandung mit dem Kolbenboden selbst eine Aussteifung des Kolbenbodens. Es ergibt sich zwischen der Ringkühlkammer und dem Kolbenhemd somit ein um die Längsachse des Kolbens ringförmig verlaufender Kolbeninnenraum, welcher die Ringkühlkammer an deren Außenumfang umgibt. Der Kolbeninnenraum ist zur Aufnahme von gasförmigem Kühlmittel ausgeführt. Als gasförmiges Kühlmittel wird insbesondere Luft oder ein gasförmiges Luft-Kraftstoffgemisch verwendet.The annular cooling chamber is formed by the piston head, by an external annular cooling chamber wall in the radial direction of the piston and by an internal annular cooling chamber wall in the radial direction of the piston. The radial direction of the piston is defined in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the piston. The annular cooling chamber is designed to hold gaseous coolant. To stiffen the piston, the outer wall of the annular cooling chamber and the inner wall of the annular cooling chamber are connected to the piston pin bosses. This supports the piston crown against the piston pin bosses. Furthermore, the connection of the outer wall of the annular cooling chamber and the inner wall of the annular cooling chamber to the piston head itself results in a stiffening of the piston head. Between the annular cooling chamber and the piston skirt there is thus a piston interior which runs in a ring around the longitudinal axis of the piston and which surrounds the annular cooling chamber on its outer circumference. The interior of the piston is designed to accommodate gaseous coolant. In particular, air or a gaseous air-fuel mixture is used as the gaseous coolant.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ist die Ringkühlkammer in ihrem Verlauf um die Längsachse des Kolbens oval ausgeführt. Dadurch ergibt sich über den Verlauf der Ringkühlkammer um die Längsachse des Kolbens ein in radialer Richtung des Kolbens unterschiedlicher Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwand und Kolbenhemd.In an advantageous manner according to the invention, the annular cooling chamber is oval in its course around the longitudinal axis of the piston. As a result, over the course of the annular cooling chamber around the longitudinal axis of the piston, there is a different distance in the radial direction of the piston between the annular cooling chamber outer wall and the piston skirt.

Die ovale Ringkühlkammer ist dabei derart ausgeführt, dass innerhalb einer Bezugsebene senkrecht zur Längsachse des Kolbens ein erster radialer Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwandung und Kolbenhemd in Richtung der Längsachse der Kolbenbolzennaben größer als ein zweiter radialer Abstand zwischen Ringkühlkanalaußenwandung und Kolbenhemd senkrecht zur Längsachse der Kolbenbolzennabe ist. Die Längsachse der Kolbenbolzennaben ist durch die Symmetrieachse der Kolbenbolzenbohrung definiert. Demnach ergibt sich im Bereich längs der Kolbenbolzennaben ein größerer Kolbeninnenraum zwischen Kolbenhemd und Ringkühlkammer als im übrigen Bereich um die Ringkühlkammer.The oval ring cooling chamber is designed in such a way that, within a reference plane perpendicular to the longitudinal axis of the piston, a first radial distance between the outer wall of the ring cooling chamber and the piston skirt in the direction of the longitudinal axis of the piston pin bosses is greater than a second radial distance between the ring cooling channel outer wall and the piston skirt perpendicular to the longitudinal axis of the piston pin boss. The longitudinal axis of the piston pin boss is defined by the axis of symmetry of the piston pin bore. Accordingly, in the area along the piston pin bosses there is a larger piston interior space between the piston skirt and the annular cooling chamber than in the remaining area around the annular cooling chamber.

Insbesondere ist die Ringkühlkammer derart oval ausgeführt, dass die Ringkühlkammeraußenwandung zumindest innerhalb der Bezugsebene einen elliptischen Verlauf aufweist, wobei eine Hauptachse der Ellipse senkrecht zur Längsachse der Kolbenbolzennaben und eine Nebenachse in Richtung der Längsachse der Kolbenbolzennaben definiert ist. Als Hauptachse wird jene Achse durch den Mittelpunkt der Ellipse verstanden, in welcher die Ellipse ihren maximalen Durchmesser aufweist. Analog dazu weist die Ellipse ihren minimalen Durchmesser in der Nebenachse auf. Demnach ergibt sich der größte radiale Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwandung und Kolbenhemd im ersten radialen Abstand in Richtung der Längsachse der Kolbenbolzennaben und der kleinste radiale Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwandung und Kolbenhemd im zweiten radialen Abstand senkrecht zur Längsachse der Kolbenbolzennaben.In particular, the ring cooling chamber is oval in shape that the outer wall of the ring cooling chamber has an elliptical shape at least within the reference plane, a major axis of the ellipse being defined perpendicular to the longitudinal axis of the piston pin bosses and a minor axis in the direction of the longitudinal axis of the piston pin bosses. The main axis is understood to be that axis through the center of the ellipse in which the ellipse has its maximum diameter. Analogously, the ellipse has its minimum diameter in the minor axis. Accordingly, the largest radial distance between the outer wall of the ring cooling chamber and the piston skirt results in the first radial distance in the direction of the longitudinal axis of the piston pin bosses and the smallest radial distance between the outer wall of the ring cooling chamber and the piston skirt in the second radial distance perpendicular to the longitudinal axis of the piston pin bosses.

Auf der Unterseite des Kolbenbodens ist zudem wenigstens ein Überströmkanal ausgebildet, welcher den die Ringkühlkammer umgebenden Kolbeninnenraum mit der Ringkühlkammer, also dem Ringkühlkammerinnenraum fluidverbindet. Der Überströmkanal ist in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise im Bereich der geringen radialen Ausdehnung der Ringkühlkammer, also im Bereich des ersten radialen Abstands angeordnet. In besonders vorteilhafter Weise ist der Überströmkanal gekrümmt ausgeführt, so dass bei einer Kühlmittelüberströmung vom Kolbeninnenraum in den Ringkühlkammerinnenraum durch das einströmende Kühlmittel dem Kühlmittel in dem Ringkühlkammerinnenraum eine Drallbewegung aufgezwungen wird. Dadurch wird der Wärmeübergang vom Kolbenboden und den Ringkühlkammerwandungen verbessert.In addition, at least one overflow channel is formed on the underside of the piston head, which fluidly connects the piston interior surrounding the annular cooling chamber with the annular cooling chamber, that is to say the annular cooling chamber interior. In an advantageous manner according to the invention, the overflow channel is arranged in the area of the small radial extent of the annular cooling chamber, that is to say in the area of the first radial distance. In a particularly advantageous manner, the overflow channel is designed to be curved, so that when coolant flows over from the piston interior into the annular cooling chamber interior, the coolant flowing in forces the coolant in the annular cooling chamber interior to swirl. This improves the heat transfer from the piston crown and the annular cooling chamber walls.

Durch die ovale Form der Ringkühlkammer und somit den ovalen Verlauf der Verbindung zwischen der Ringkühlkammeraußenwandung mit dem Kolbenboden wird die Steifigkeit des Kolbenbodens erhöht. Durch die Verbindung der Ringkühlkammeraußenwandung und der Ringkühlkammerinnenwandung mit den Kolbenbolzennaben wird die Abstützwirkung des Kolbenbodens gegenüber der Kolbenbolzennabe erhöht. Durch den in Richtung der Längsachse der Kolbenbolzennaben vergrößerten Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwandung und Kolbenhemd wird der Einfluss der Kolbenbodenabstützung auf die Hemdverformung deutlich reduziert.Due to the oval shape of the ring cooling chamber and thus the oval shape of the connection between the ring cooling chamber outer wall and the piston head, the rigidity of the piston head is increased. By connecting the outer wall of the ring cooling chamber and the inner wall of the ring cooling chamber with the piston pin bosses, the supporting effect of the piston crown in relation to the piston pin boss is increased. Due to the increased distance between the ring cooling chamber outer wall and the piston skirt in the direction of the longitudinal axis of the piston pin bosses, the influence of the piston crown support on the skirt deformation is significantly reduced.

Ebenfalls wird durch den vergrößerten Abstand zwischen Ringkühlkammeraußenwandung und Kolbenhemd in Richtung der Längsachse der Kolbenbolzennaben die Positionierung des Überströmkanals in diesem Bereich ermöglicht, wodurch die Kühlwirkung durch die Ringkühlkammer erhöht wird. Die Länge und die Krümmung des Überströmkanals können durch den vergrößerten Abstand besser an eine zu erzielende Drallerzeugung in der Ringkühlkammer angepasst werden.The increased distance between the outer wall of the annular cooling chamber and the piston skirt in the direction of the longitudinal axis of the piston pin bosses also enables the transfer channel to be positioned in this area, which increases the cooling effect of the annular cooling chamber. The length and the curvature of the overflow channel can be better adapted to the swirl generation to be achieved in the annular cooling chamber due to the increased distance.

Weiter sind an der Kolbenhemdinnenseite im Bereich zwischen den Kolbenbolzennaben mehrere in Richtung der Längsachse des Kolbens verlaufende Rippen angeordnet. Jede Rippe weist einen Rippenfuß als Verbindung zur Kolbenhemdinnenseite, Rippenflanken und einen Rippenkopf auf. Die Rippen verlaufen dabei nur im Bereich des Kolbenhemdes. Die Rippen verlaufen nicht über die Innenseite der Ringpartie und sind auch nicht mit dem Kolbenboden verbunden. Mittels einer zusätzlichen Kolbenhemdinnenwandung sind die Rippenköpfe miteinander verbunden. Wenigstens eine Rippe ist durch die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung hindurchgeführt beziehungsweise über diese hinaus verlängert und mit einer Kolbenbolzennabe verbunden.Furthermore, several ribs running in the direction of the longitudinal axis of the piston are arranged on the inside of the piston skirt in the area between the piston pin bosses. Each rib has a rib foot as a connection to the inside of the skirt, rib flanks and a rib head. The ribs only run in the area of the piston skirt. The ribs do not run over the inside of the ring belt and are not connected to the piston crown. The rib heads are connected to one another by means of an additional inner skirt wall. At least one rib is passed through the additional piston skirt inner wall or is extended beyond this and is connected to a piston pin hub.

Durch diese Rippen und die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung werden mehrere Kanäle definiert, welche als Kühlmittelkanäle ausgeführt sind. Der einzelne Kanal wird durch die Kolbenhemdinnenseite, durch die Rippenflanken zweier benachbarter Rippen und durch die Außenseite der zusätzlichen Kolbenhemdinnenwandung gebildet. Durch die Kanäle wird eine Kühlmittelführung an der Kolbenhemdinnenseite ermöglicht, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. Zudem wirkt sich die Kühlmittelführung durch die Kanäle positiv auf die Durchspülung des die Ringkühlkammer umgebenden Kolbeninnenraums, der Überströmkanäle und damit der Ringkühlkammer aus. Demnach ergibt sich eine vorteilhafte Durchströmung mit Kühlmittel durch die Kanäle im Bereich des zweiten radialen Abstandes in den die Ringkühlkammer umgebenden Kolbeninnenraum und weiter über diesen Kolbeninnenraum und die Überströmkanäle im Bereich des ersten radialen Abstandes in die Ringkühlkammer. Diese Durchströmung weist entsprechend der oszillierenden Bewegung des Kolbens während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine und der damit verbundenen Druckänderung im Kolbeninnraum und in der Ringkühlkammer auch eine oszillierende Bewegung auf.These ribs and the additional inner wall of the piston skirt define several channels, which are designed as coolant channels. The individual channel is formed by the inside of the piston skirt, by the rib flanks of two adjacent ribs and by the outside of the additional inside wall of the piston skirt. The channels enable coolant to be routed to the inside of the piston skirt, which improves the heat transfer. In addition, the coolant flow through the channels has a positive effect on the flushing of the piston interior surrounding the ring cooling chamber, the overflow channels and thus the ring cooling chamber. This results in an advantageous flow of coolant through the channels in the area of the second radial distance into the piston interior surrounding the annular cooling chamber and further via this piston interior and the overflow channels in the area of the first radial distance into the annular cooling chamber. This flow has corresponding to the oscillating movement of the piston during operation of the reciprocating internal combustion engine and the associated pressure change in the piston interior and in the Annular cooling chamber also has an oscillating movement.

Ebenfalls wird durch die Rippen und die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung eine weitere Aussteifung des Kolbens, insbesondere des Kolbenhemdes erreicht. Dadurch kann die Formstabilität des Kolbenhemdes über einen weiten Temperaturbereich verbessert werden. Mittels der wenigstens einen, über die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung hindurchgeführten und mit der Kolbenbolzennabe verbundenen Rippe als Stützrippe wird zudem eine Abstützung des Kolbenhemdes gegenüber der Kolbenbolzennabe erreicht.The ribs and the additional inner wall of the piston skirt also reinforce the piston, in particular the piston skirt. As a result, the dimensional stability of the piston skirt can be improved over a wide temperature range. By means of the at least one rib, which is passed over the additional inner wall of the piston skirt and connected to the piston pin hub, as a support rib, the piston skirt is also supported with respect to the piston pin hub.

Der erfindungsgemäß vorteilhafte Kolben wird mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt, so dass sich die komplexen Strukturen für die ovale Ringkühlkammer und gegebenenfalls für die Überströmkanäle und die Kolbenhemdrippen mit zusätzlicher Kolbenhemdinnenwandung in einfacher Weise herstellen lassen. Dabei kommt insbesondere das selektive Lasersintern oder auch das selektive Laserschmelzen zum Einsatz. In besonders vorteilhafter Weise ist der Kolben als Leichtmetallkolben ausgeführt, bei welchem Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder auch eine partikelverstärkte Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet wird. Durch die Verwendung der benannten Fertigungsverfahren und der dargestellten Stütz- und Kühlstrukturen im Kolben kann trotz der Verwendung von Leichtmetallen ein sehr leistungsfähiger, insbesondere hinsichtlich der Steifigkeit und Kühlung verbesserter Kolben bereitgestellt werden.The inventive piston is manufactured by means of an additive manufacturing process, so that the complex structures for the oval ring cooling chamber and optionally for the overflow channels and the piston skirt ribs with additional piston skirt inner wall can be easily manufactured. In particular, selective laser sintering or selective laser melting is used. In a particularly advantageous manner, the piston is designed as a light metal piston, in which aluminum, an aluminum alloy or also a particle-reinforced aluminum or magnesium alloy is used. Through the use of the named manufacturing processes and the support and cooling structures shown in the piston, despite the use of light metals, a very powerful piston can be provided, in particular with improved rigidity and cooling.

AusführungsbeispielEmbodiment

Beispielhaft wird hier eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 mit einer Ringkühlkammer 2 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:

1: eine schematische Darstellung des Kolbens 1 in verschiedenen Schnittdarstellungen.

An embodiment of a piston according to the invention is exemplified here 1 with an annular cooling chamber 2 shown. In the corresponding figure shows:

1 : a schematic representation of the piston 1 in different sectional views.

Der erfindungsgemäß vorteilhafte Kolben 1, dargestellt in 1, weist einen Kolbenboden 3, ein Kolbenhemd 4 und Kolbenbolzennaben 5, 6 auf. Auf einer Kolbenbodenunterseite 3a ist die um eine Längsachse 7 des Kolbens 1 herum verlaufende Ringkühlkammer 2 vorgesehen. Die Ringkühlkammer 2 wird durch die Kolbenbodenunterseite 3a, durch eine in radialer Richtung des Kolbens 1 außenliegende Ringkühlkammeraußenwandung 2a und durch eine in radialer Richtung des Kolbens 1 innenliegende Ringkühlkammerinnenwandung 2b gebildet, wobei die Ringkühlkammeraußenwandung 2a und die Ringkühlkammerinnenwandung 2b mit den Kolbenbolzennaben 5, 6 verbunden sind. Zwischen der Ringkühlkammer 2 und dem Kolbenhemd 4 ergibt sich ein ringförmig verlaufender Kolbeninnenraum 8.The inventive piston 1 , shown in 1 , has a piston crown 3 , a piston skirt 4th and piston pin bosses 5 , 6th on. On the underside of the piston crown 3a is the one around a longitudinal axis 7th of the piston 1 ring cooling chamber running around 2 intended. The annular cooling chamber 2 is through the underside of the piston crown 3a , by one in the radial direction of the piston 1 external annular cooling chamber outer wall 2a and by one in the radial direction of the piston 1 internal annular cooling chamber wall 2 B formed, the annular cooling chamber outer wall 2a and the inner wall of the annular cooling chamber 2 B with the piston pin bosses 5 , 6th are connected. Between the annular cooling chamber 2 and the piston skirt 4th the result is an annular piston interior 8th .

Die Ringkühlkammer 2 ist in ihrem Verlauf um die Längsachse 7 des Kolbens 1 oval ausgeführt, so dass innerhalb einer Bezugsebene 9 senkrecht zur Längsachse 7 des Kolbens 1 ein erster radialer Abstand 10 zwischen Ringkühlkammeraußenwandung 2a und Kolbenhemd 4 in Richtung einer Längsachse 11 der Kolbenbolzennaben 5, 6 größer als ein zweiter radialer Abstand 12 zwischen Ringkühlkanalaußenwandung 2a und Kolbenhemd 4 senkrecht zur Längsachse 11 der Kolbenbolzennaben 5, 6 ist. Demnach ergibt sich im Bereich der Kolbenbolzennaben 5, 6 ein größerer Kolbeninnenraum 8 zwischen Kolbenhemd 4 und Ringkühlkammer 2 als im übrigen Bereich um die Ringkühlkammer 2.The annular cooling chamber 2 is in its course around the longitudinal axis 7th of the piston 1 executed oval so that within a reference plane 9 perpendicular to the longitudinal axis 7th of the piston 1 a first radial distance 10 between the outer wall of the annular cooling chamber 2a and piston skirt 4th in the direction of a longitudinal axis 11 the piston pin bosses 5 , 6th greater than a second radial distance 12 between the outer wall of the ring cooling duct 2a and piston skirt 4th perpendicular to the longitudinal axis 11 the piston pin bosses 5 , 6th is. This results in the area of the piston pin bosses 5 , 6th a larger piston interior 8th between piston skirt 4th and annular cooling chamber 2 than in the rest of the area around the annular cooling chamber 2 .

Auf der Kolbenbodenunterseite 3a sind mehrere Überströmkanäle 13 ausgebildet, welche den die Ringkühlkammer 2 umgebenden Kolbeninnenraum 8 mit der Ringkühlkammer 2 fluidverbinden. Die Überströmkanäle 13 sind im Bereich der geringsten radialen Ausdehnungen der Ringkühlkammer 2, also im Bereich des ersten radialen Abstands 10 zwischen Ringkühlkammeraußenwandung 2a und Kolbenhemd 4 angeordnet. Die Überströmkanäle 13 sind gekrümmt ausgeführt, so dass bei einer Kühlmittelüberströmung vom Kolbeninnenraum 8 in die Ringkühlkammer 2 einem gasförmigen Kühlmittel eine Drallbewegung aufgezwungen wird.On the underside of the piston crown 3a are several overflow channels 13 formed, which the the annular cooling chamber 2 surrounding piston interior 8th with the annular cooling chamber 2 connect fluid. The overflow channels 13 are in the area of the smallest radial expansion of the annular cooling chamber 2 , so in the area of the first radial distance 10 between the outer wall of the annular cooling chamber 2a and piston skirt 4th arranged. The overflow channels 13 are curved so that when coolant flows over from the piston interior 8th into the annular cooling chamber 2 a swirl movement is imposed on a gaseous coolant.

An einer Kolbenhemdinnenseite 4a sind im Bereich zwischen den Kolbenbolzennaben 5, 6 mehrere in Längsachse 7 des Kolbens 1 verlaufende Rippen 14 angeordnet. Jede Rippe 14 weist einen Rippenkopf 14a auf. Mittels einer zusätzlichen Kolbenhemdinnenwandung 4a sind die Rippenköpfe 14a miteinander verbunden. Wenigstens eine Rippe 14 ist durch die zusätzliche Kolbenhemdinnenwandung 4a hindurchgeführt und als Stützrippe 15 mit der Kolbenbolzennabe 5, 6 verbunden.On the inside of a piston skirt 4a are in the area between the piston pin bosses 5 , 6th several in the longitudinal axis 7th of the piston 1 running ribs 14th arranged. Every rib 14th has a rib head 14a on. By means of an additional piston skirt inside wall 4a are the rib heads 14a connected with each other. At least one rib 14th is due to the additional piston skirt inside wall 4a passed through and as a support rib 15th with the piston pin boss 5 , 6th connected.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Kolbenpiston
2, 2a, 2b2, 2a, 2b: Ringkühlkammer, Ringkühlkammeraußenwandung, RingkühlkammerinnenwandungRing cooling chamber, ring cooling chamber outer wall, ring cooling chamber inner wall
3, 3a3, 3a: Kolbenboden, KolbenbodenunterseitePiston crown, piston crown underside
4, 4a4, 4a: Kolbenhemd, zusätzliche KolbenhemdinnenwandungPiston skirt, additional piston skirt inner wall
55: KolbenbolzennabePiston pin hub
66: KolbenbolzennabePiston pin hub
77th: Längsachse des Kolbens 1 Longitudinal axis of the piston 1
88th: KolbeninnenraumPiston interior
99: BezugsebeneReference plane
1010: erster radialer Abstandfirst radial distance
1111: Längsachse der Kolbenbolzennaben 5, 6 Longitudinal axis of the piston pin bosses 5 , 6th
1212: zweiter radialer Abstandsecond radial distance
1313: ÜberströmkanäleOverflow channels
14, 14a14, 14a: Rippe, RippenkopfRib, rib head
1515th: StützrippeSupport rib

Claims

Piston (1) with an annular cooling chamber (2), a piston crown (3), a piston skirt (4) and piston pin bosses (5, 6) for reciprocating piston internal combustion engines, the annular cooling chamber (2) on a piston crown underside (3a) around a longitudinal axis (7) of the piston (1) and through the underside of the piston crown (3a), through an outer annular cooling chamber wall (2a) in the radial direction of the piston (1) and connected to the piston pin bosses (5, 6) and through an outer wall (2a) in the radial direction of the piston (1 ) inner ring cooling chamber inner wall (2b) connected to the piston pin bosses (5, 6) is formed and an annular piston interior (8) is provided between the ring cooling chamber (2) and the piston skirt (4), characterized in that the ring cooling chamber (2) is oval in its course around the longitudinal axis (7) of the piston (1), so that within a reference plane (9) perpendicular to the longitudinal axis (7) of the piston (1), a first radial distance (10) between the ring cooling element Ammeraußenwandung (2a) and piston skirt (4) in the direction of a longitudinal axis (11) of the piston pin bosses (5, 6) greater than a second radial distance (12) between the ring cooling duct outer wall (2a) and piston skirt (4) perpendicular to the longitudinal axis (11) of the piston pin bosses (5, 6) is.

Piston (1) Claim 1 , characterized in that a plurality of overflow channels (13) are formed on the underside of the piston crown (3a), which fluidly connect the piston interior (8) surrounding the annular cooling chamber (2) with the annular cooling chamber (2), the overflow channels (13) in the area of the smallest radial ones Extensions of the annular cooling chamber (2), that is to say in the region of the first radial distance (10) between the outer wall of the annular cooling chamber (2a) and the piston skirt (4).

Piston (1) Claim 2 , characterized in that the overflow channels (13) are curved.

Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of ribs (14) extending in the direction of the longitudinal axis (7) of the piston (1) are arranged on the inside of the piston skirt (4a) in the area between the piston pin bosses (5, 6) wherein each rib (14) has a rib head (14a).

Piston (1) Claim 4 , characterized in that the rib heads (14a) are connected to one another by means of an additional piston skirt inner wall (4a).

Piston (1) Claim 5 , characterized in that at least one rib (14) is passed through the additional piston skirt inner wall (4a) and is connected to the piston pin hub (5, 6) as a support rib (15).