DE102021128792B3 - Piston for a reciprocating engine, corresponding engine and motor vehicle with such - Google Patents

Piston for a reciprocating engine, corresponding engine and motor vehicle with such Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt einen Kolben (10) für einen Hubkolbenmotor mit den folgenden Merkmalen bereit: Der Kolben (10) weist einen von einem radförmigen Kühlkanal (11) durchzogenen Kolbenboden auf; der Kühlkanal (11) weist in einem Mittelpunkt des Kolbenbodens fluidtechnisch verbundene Speichen (12) auf; und die Speichen (12) sind ungleichmäßig dicht über den Kolbenboden verteilt.Die Erfindung stellt ferner einen entsprechenden Hubkolben- und insbesondere Verbrennungsmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen bereit.The invention provides a piston (10) for a reciprocating piston engine with the following features: the piston (10) has a piston head through which a wheel-shaped cooling channel (11) runs; the cooling passage (11) has spokes (12) fluidically connected at a center point of the piston crown; and the spokes (12) are unevenly densely distributed over the piston crown. The invention also provides a corresponding reciprocating and in particular internal combustion engine and a motor vehicle with such.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Hubkolbenmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus einen entsprechenden Hubkolben- und insbesondere Verbrennungsmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.The present invention relates to a piston for a reciprocating engine. The present invention also relates to a corresponding reciprocating engine and, in particular, an internal combustion engine and a motor vehicle having such an engine.

Moderne Verbrennungsmotoren werden spezifisch sehr hoch belastet. Insbesondere die thermische Belastung des Kolbens hat im Zuge der Leistungssteigerung zugenommen. Der Stand der Technik umfasst daher Hochleistungsmotoren mit sogenannten Kühlkanalkolben.Modern internal combustion engines are specifically subjected to very high loads. In particular, the thermal load on the piston has increased as a result of the increase in performance. The prior art therefore includes high-performance engines with so-called cooling channel pistons.

Beim namensgebenden Kühlkanal eines derartigen Kolbens handelt es sich um einen üblicherweise umlaufenden, Motoröl führenden Kanal innerhalb des Kolbens. Das Motoröl gelangt über eine Zuführbohrung in diesen Ringkanal und tritt auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Austrittsbohrung wieder aus ihm aus.The eponymous cooling channel of such a piston is a channel inside the piston that usually runs around and carries engine oil. The engine oil enters this ring channel via a feed hole and exits it again on the opposite side through an outlet hole.

Die Ölversorgung eines gattungsmäßigen Kühlkanalkolbens erfolgt durch eine im Kurbelgehäuse angeordnete Kolbenspritzdüse, deren Strahl auf die Zuführbohrung gerichtet ist. Der Ringkanal durchzieht herkömmlicherweise den äußeren Bereich des Kolbens und führt dort die in den Kolben eingebrachte Wärme mittels des Öles ab.A cooling channel piston of this type is supplied with oil by a piston spray nozzle which is arranged in the crankcase and whose jet is directed onto the feed bore. The ring channel conventionally runs through the outer area of the piston and dissipates the heat introduced into the piston there by means of the oil.

Nachteilig bei dieser Lösung ist ihre örtliche begrenzte Kühlwirkung, die einen unregelmäßigen Temperaturverlauf im Kolbenboden nach sich zieht: Während sich dessen Rand hinreichend kühlen lässt, wird die Mitte des Kolbens im Betrieb nach wie vor stark erhitzt. Diese hohen Temperaturen erhöhen die Klopfempfindlichkeit des Motors, was wiederum dessen Leistung mindert und Verbrauch erhöht.The disadvantage of this solution is its locally limited cooling effect, which results in an irregular temperature profile in the piston crown: while its edge can be sufficiently cooled, the center of the piston continues to be heated up considerably during operation. These high temperatures increase the engine's sensitivity to knocking, which in turn reduces its performance and increases consumption.

DE 10 2018 201 556 A1 schlägt vor diesem Hintergrund vor, die Kühlkanäle eines Verbrennungsmotors so auszubilden, dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Brennraumfläche entsteht. DE 10 2018 201 556 A1 against this background, proposes designing the cooling ducts of a combustion engine in such a way that the temperature is evenly distributed over the surface of the combustion chamber.

DE 34 44 661 A1 offenbart den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1. DE 34 44 661 A1 discloses the subject-matter of the preamble of claim 1.

DE 102 44 510 A1 zeigt und beschreibt einen Kolben, bei welchem über den Umfang des Kolbenringbereiches verteilt Bohrungen eingebracht sind, die die Kühlung des Kolbenringbereiches verbessern sollen. Dort sind die Bohrungen nicht mit gleichem Abstand zueinander über den Umfang verteilt angeordnet, damit die Verteilung abhängig von der örtlichen Temperaturverteilung im Kolbenboden erfolgen kann. DE 102 44 510 A1 shows and describes a piston in which bores are distributed over the circumference of the piston ring area and are intended to improve the cooling of the piston ring area. There, the bores are not distributed at the same distance from one another over the circumference, so that the distribution can take place depending on the local temperature distribution in the piston crown.

DE 10 2006 002 949 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Stahl gegossenen oder geschmiedeten, aus zumindest zwei Teilen an zumindest einer Fügestelle durch Reibschweißen verbundenen Kühlkanalkolbens, der neben einem äußeren Kühlkanal zumindest einen weiteren inneren Kühlkanal mit zumindest einer wannenförmigen Vertiefung einschließt. Dieser mittels einer mechanischen Bearbeitung, Schmieden oder Gießen hergestellte wannenförmige Teilbereich des Kühlkanals, ist mit einem äußeren, zu dem Ringfeld des Kolbens axial beabstandet angeordneten Kühlkanal über zumindest eine Übertrittsöffnung verbunden. Die abschnittsweise wannenförmige Gestaltung des inneren Kühlkanals vergrößert den Kühlölhohlraum und folglich die Kühlölaufnahme, wodurch sich die Shaker-Wirkung des Kolbens verbessern und damit insgesamt die Kühlwirkung des Kolbens deutlich gesteigert werden soll. DE 10 2006 002 949 A1 relates to a method for producing a cooling channel piston which is cast or forged from steel and consists of at least two parts connected by friction welding at at least one joint, which in addition to an outer cooling channel includes at least one further inner cooling channel with at least one trough-shaped depression. This trough-shaped partial area of the cooling channel, which is produced by means of mechanical processing, forging or casting, is connected to an outer cooling channel arranged at an axial distance from the ring zone of the piston via at least one transfer opening. The trough-shaped design of the inner cooling channel in sections enlarges the cooling oil cavity and consequently the cooling oil intake, whereby the shaker effect of the piston is improved and the overall cooling effect of the piston is said to be significantly increased.

JP 5 141 461 B2 offenbart einen Verbrennungsmotor, dessen Kühlleitungen in Y-Form durch die Mitte des Kolbens verlaufen. JP 5 141 461 B2 discloses an internal combustion engine whose cooling ducts pass through the center of the piston in a Y-shape.

DE 10 2004 027 974 A1 lehrt, die Kanäle ungleichmäßig über den Umfang zu verteilen. DE 10 2004 027 974 A1 teaches distributing the channels unevenly around the circumference.

DE 10 2010 015 568 A1 schließlich regt eine Kühlstruktur mit asymmetrischen Ausnehmungen an, um im Hinblick der ungleichmäßigen thermischen Belastung gerecht zu werden. DE 10 2010 015 568 A1 finally, a cooling structure with asymmetrical cavities excites to cope with the uneven thermal load.

Die Erfindung stellt einen Kolben für einen Hubkolbenmotor, einen entsprechenden Hubkolben- und insbesondere Verbrennungsmotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Motor gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides a piston for a reciprocating engine, a corresponding reciprocating engine and in particular an internal combustion engine, and a motor vehicle with such an engine, according to the independent claims.

Der Vorzug eines erfindungsgemäßen Kolbens liegt in seiner asymmetrischen Kühlstruktur, welche die Wärme bestmöglich aus dem Bauteil ableitet und eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Kolbenboden gewährleistet, wobei die Kühlwirkung des Öls in der Kolbenbodenmitte am größten ist.The advantage of a piston according to the invention lies in its asymmetrical cooling structure, which dissipates the heat from the component in the best possible way and ensures an even temperature distribution over the entire piston crown, with the cooling effect of the oil being greatest in the middle of the piston crown.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So können diejenigen Speichen des erfindungswesentlichen Kühlkanales, welche thermisch hochbelastete Teilbereiche des Kolbenbodens kreuzen, in geringerem Winkelabstand zueinander angeordnet sein als jene, welche vollständig außerhalb der besagten Teilbereiche verlaufen. Auf diesem Wege werden die Speichen in ihrer Winkellage bestmöglich an den ungleichmäßig verteilten Wärmeeintrag angepasst.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims. Thus, those spokes of the cooling channel that are essential to the invention and that cross thermally highly stressed sub-areas of the piston head can be arranged at a smaller angular distance from one another than those that run completely outside of said sub-areas. In this way, the spokes are optimally adjusted in their angular position to the unevenly distributed heat input.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Speichen jeweils hohlkegelstumpfförmig mit einer dem Mittelpunkt des Kolbenbodens zugewandten Grundfläche und einer ihm abgewandten Deckfläche gestaltet sind, sodass die Querschnittfläche von Deck- zu Grundfläche stetig zunimmt. Diese kegelförmige Gestaltung der Speichen birgt den Vorteil, dass das darin geführte Öl bei der Bewegung und insbesondere Beschleunigung des Kolbens in Richtung des oberen Totpunktes entlang der abfallenden Speichenwandung zur Mitte des Kolbens verdrängt und beim Ausströmen unterstützt wird.Furthermore, it can be provided that the spokes each have a hollow truncated cone shape with a dem Center of the piston crown facing base and a cover surface facing away from it are designed so that the cross-sectional area from cover to base area increases steadily. This conical design of the spokes has the advantage that the oil guided in them is displaced during the movement and in particular acceleration of the piston in the direction of top dead center along the sloping spoke wall towards the center of the piston and is supported when it flows out.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt die perspektivische Ansicht eines Kolbens in teiltransparenter Darstellung.
  • 2 zeigt eine Draufsicht des Kolbens gemäß 1 in teiltransparenter Darstellung.
  • 3 zeigt eine beispielhafte Temperaturverteilung am Boden des Kolbens der 1 und 2.
  • 4 zeigt - in einer mit dem Temperaturfeld gemäß 3 überlagerten Darstellung - eine der 2 entsprechende Draufsicht des Kühlkanales eines erfindungsgemäßen Kolbens mit bedarfsgerechter asymmetrischer Speichenstruktur.
An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.
  • 1 shows the perspective view of a piston in a partially transparent representation.
  • 2 shows a plan view of the piston according to FIG 1 in a partially transparent display.
  • 3 shows an exemplary temperature distribution at the bottom of the piston of FIG 1 and 2 .
  • 4 shows - in accordance with the temperature field 3 superimposed representation - one of 2 corresponding top view of the cooling channel of a piston according to the invention with a needs-based asymmetrical spoke structure.

Die 1 und 2 illustrieren einen für einen Direkteinspritzmotor vorgesehenen Kolben (10), dessen Kolbenboden von einem radförmigen, Motoröl führenden Kühlkanal (11) durchzogen wird. Den Hauptunterschied zu einem herkömmlichen Kühlkanal (11) bilden die im Mittelpunkt des Kolbenbodens fluidtechnisch verbundenen Speichen (12), die beim abbildungsgemäßen Kolben (10) eine äquidistante, regelförmige Struktur aufweisen. Trotz dieser gleichmäßigen Verteilung der Speichen (12) über den Kolbenboden stellt sich im Betrieb des Motors durch zusätzliche Kraftstoffkühleffekte die in 3 wiedergegebene, erkennbar ungleichmäßige Temperaturverteilung (13) ein, welche den örtlich erhöhten Kühlbedarf des Kolbens (10) belegt.the 1 and 2 illustrate a piston (10) provided for a direct injection engine, the piston head of which is traversed by a wheel-shaped cooling duct (11) carrying engine oil. The main difference to a conventional cooling channel (11) is formed by the fluidically connected spokes (12) in the center of the piston head, which have an equidistant, regular structure in the piston (10) shown. Despite this even distribution of the spokes (12) over the piston head, additional fuel cooling effects during engine operation cause the in 3 reproduced, recognizable non-uniform temperature distribution (13), which proves the locally increased cooling requirement of the piston (10).

Der in 4 beleuchtete Kühlkanal (11) eines erfindungsgemäßen Kolbens (10) zeichnet sich daher durch die ungleichmäßige, bedarfsgerechte Verteilung seiner Speichen aus, welche in der abbildungsgemäß linken, für eine hohe thermische Belastung ausgelegten Hälfte des Kolbenbodens dichter angeordnet sind als in dessen rechter Hälfte.the inside 4 The illuminated cooling channel (11) of a piston (10) according to the invention is therefore characterized by the non-uniform, needs-based distribution of its spokes, which are arranged more densely in the left half of the piston head designed for high thermal stress than in the right half.

Deutlich wird diese Ungleichverteilung anhand der waagerecht dargestellten, den Mittelpunkt des Kolbenbodens durchlaufenden Bezugsgeraden. Jede der Speichen schließt mit dieser Waagerechten einen charakteristischen Mittelpunktswinkel unterschiedlicher Winkelweite (α1, α2, α3 usw.) ein. Da die abbildungsgemäß linken Speichen die thermisch hochbelastete linke Hälfte (14) des Kolbenbodens durchqueren, bleibt ihr Winkelabstand α2 - α1 deutlich hinter dem Winkelabstand α3 - α2 zurück, da der Winkel α3 einer Speiche (12) zugeordnet ist, welche vollständig in der thermisch weniger belasteten rechten Hälfte (15) des Kolbenbodens verläuft.This unequal distribution becomes clear from the reference lines shown horizontally and running through the center point of the piston crown. Each of the spokes encloses a characteristic central angle of different angular width (α 1 , α 2 , α 3 , etc.) with this horizontal line. Since the spokes on the left, as shown in the figure, traverse the left half (14) of the piston crown, which is subjected to high thermal loads, their angular distance α 2 - α 1 is significantly lower than the angular distance α 3 - α 2 , since the angle α 3 is assigned to a spoke (12) which runs completely in the thermally less stressed right half (15) of the piston crown.

Claims (9)

Kolben (10) für einen Hubkolbenmotor, mit folgenden Merkmalen: - der Kolben (10) weist einen von einem radförmigen Kühlkanal (11) durchzogenen Kolbenboden auf und - der Kühlkanal (11) weist in einem Mittelpunkt des Kolbenbodens fluidtechnisch verbundene Speichen (12) auf, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Speichen (12) sind ungleichmäßig dicht über den Kolbenboden verteilt und - die Speichen (12) weisen jeweils eine in Richtung des Mittelpunktes stetig zunehmende Querschnittsfläche auf.Piston (10) for a reciprocating engine, with the following features: - the piston (10) has a piston head through which a wheel-shaped cooling duct (11) runs, and - the cooling duct (11) has spokes (12) which are fluidically connected in a center point of the piston head , characterized by the following features: - the spokes (12) are unevenly densely distributed over the piston crown and - the spokes (12) each have a cross-sectional area that increases steadily towards the center. Kolben (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Kolbenboden umfasst vorgegebene Teilbereiche (14), welche für eine hohe thermische Belastung ausgelegt sind, und - die Speichen (12) sind in den thermisch hochbelasteten Teilbereichen (14) dichter angeordnet als in anderen Bereichen (15) des Kolbenbodens.Piston (10) after claim 1 , characterized by the following features: - the piston crown comprises predetermined partial areas (14) which are designed for high thermal stress, and - the spokes (12) are arranged more densely in the thermally highly stressed partial areas (14) than in other areas (15) of the piston crown. Kolben (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Speichen (12) schließen mit einer gemeinsamen Bezugsgeraden durch den Mittelpunkt jeweils einen vorgegebenen Winkel (α1, α2, α3) ein und - diejenigen Speichen (12), welche die thermisch hochbelasteten Teilbereiche (14) kreuzen, sind bezüglich des Winkels (α1, α2, α3) in geringerem Winkelabstand zueinander angeordnet als diejenigen Speichen (12), welche vollständig innerhalb der anderen Bereiche (15) verlaufen.Piston (10) after claim 2 , characterized by the following features: - the spokes (12) each enclose a predetermined angle (α 1 , α 2 , α 3 ) with a common reference line through the center point and - those spokes (12) which the thermally highly stressed partial areas (14 ) intersect are arranged at a smaller angular distance from one another with respect to the angle (α 1 , α 2 , α 3 ) than those spokes (12) which run completely inside the other areas (15). Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Speichen (12) sind jeweils durch einen Rotationskörper begrenzt.Piston (10) according to one of Claims 1 until 3 , characterized by the following feature: - the spokes (12) are each limited by a body of revolution. Kolben (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Speichen (12) sind jeweils hohlkegelstumpfförmig mit einer dem Mittelpunkt zugewandten Grundfläche und einer dem Mittelpunkt abgewandten Deckfläche vorgesehen, sodass die Querschnittfläche entlang jeder Speiche (12) von der Deckfläche bis zur Grundfläche zunimmt.Piston (10) after claim 4 characterized by the following feature: - the spokes (12) are each provided in the form of a hollow truncated cone with a base surface facing the center and a cover surface facing away from the center, so that the cross-sectional area along each spoke (12) increases from the cover surface to the base surface. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Speichen (12) weisen eine übereinstimmende Form auf.Piston (10) according to one of Claims 1 until 5 , characterized by the following feature: - the spokes (12) have a matching shape. Hubkolbenmotor mit einem Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Reciprocating engine with a piston (10) according to one of Claims 1 until 6 . Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung nach Anspruch 7.internal combustion engine with direct injection claim 7 . Kraftfahrzeug mit einem Motor nach Anspruch 7 oder 8.Motor vehicle with an engine claim 7 or 8th .
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