DE10218998A1

DE10218998A1 - Piston for direct-injection Otto engine has upper section with hollow chamber acting as coolant channel with improved cooling performance

Info

Publication number: DE10218998A1
Application number: DE2002118998
Authority: DE
Inventors: Erich Gridl; Matthias Laqua; Albert Haberl
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2003-11-13

Abstract

The piston has a lower section (3), and an upper section (2) with ring area (4), hollow chamber (5), and combustion chamber recess (6). The chamber is at least partially defined by a min. distance (10-13) to a shaping part of the upper piston section. The distance is optimized regarding the strength of the piston. The chamber is located radially between the ring area and the combustion chamber recess.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, bestehend aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. The invention relates to a piston, consisting of an upper piston part and a Piston lower part with the features of the preamble of claim 1.

Aus der DE 198 10 883 A1 ist ein Kolben mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die beide einen einteiligen Leichtmetallkolben bilden, bekannt. In dem Kolbenoberteil ist ein bogenförmiger Hohlraum vorhanden, um der Kopflastigkeit des Kolbens entgegenzuwirken. Durch den Verlauf des Hohlraums wird eine beträchtliche Gewichtsreduzierung im Kolbenoberteil (Bereich des Kolbenbodens) erzielt. Die Verwendung des Hohlraumes als Kühlkanal, um den Bereich des Kolbenoberteiles zu kühlen und damit höhere Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen zu realisieren, ist aus der DE 198 10 883 A1 nicht bekannt. From DE 198 10 883 A1 is a piston with an upper piston part and a Piston lower part, both of which form a one-piece light metal piston, is known. By doing Piston top is an arcuate cavity to the top heaviness of the To counteract the piston. The course of the cavity creates a considerable weight reduction achieved in the upper part of the piston (area of the piston crown). The Use of the cavity as a cooling channel to the area of the upper piston part to cool and thus higher combustion pressures and temperatures realize is not known from DE 198 10 883 A1.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem Hohlraum im Kolbenoberteil bereitzustellen, bei dem der Hohlraum als Kühlkanal verwendet und der realisierte Kühlkanal hinsichtlich seiner Kühlleistung verbessert ist. The invention is therefore based on the object of a piston with a cavity To be provided in the upper piston part, in which the cavity is used as a cooling channel and the cooling duct implemented is improved in terms of its cooling capacity.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. This object is solved by the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die räumliche Ausdehnung des Hohlraumes zumindest teilweise durch zumindest einen Mindestabstand zu einem formgebenden Bereich des Kolbenoberteiles begrenzt und der Mindestabstand hinsichtlich der Festigkeit optimiert ist, wobei der Hohlraum radial umlaufend zwischen dem Ringfeld und der Brennraummulde angeordnet ist. Das letztgenannte Merkmal bewirkt in vorteilhafter Weise, daß der aufgrund hoher Verbrennungsdrücke und hoher Verbrennungstemperaturen stark beanspruchte obere Bereich (Kolbenboden) des Kolbens sehr gut gekühlt wird, da das Kühlmedium (insbesondere Motoröl) vollständig um die Brennraummulde herum zirkulieren und diesen Bereich kühlen kann. Zu diesem Zweck sind von dem Kolbeninneren ausgehend zu dem Hohlraum Zulauf- und Ablauföffnungen vorhanden, über welche das Kühlmedium in den Hohlraum gelangen und aus diesem wieder austreten kann. Weiterhin ist zur Steigerung der Kühlleistung vorgesehen, daß der zur Verfügung stehende, radial umlaufende Raum zwischen den Begrenzungen der Brennraummulde und des Ringfeldes ausgenutzt wird, um den Hohlraum (Kühlkanal) zu vergrößern, ohne daß die relevante Festigkeit des Kolbenbodens beeinträchtigt wird. D. H., daß der Kühlkanal hinsichtlich seiner Formgebung einerseits z. B. einer gewissen radial umlaufenden Mindestwandstärke des Ringfeldes folgt, andererseits auch, sich den komplexen Formgebungen der Brennraummulde anpassend, in seinem Querschnitt verändert. D. h., daß eine Form (insbesondere Querschnitt) des Kühlkanales realisiert wird, der zu den formgebenden Bereichen des Kolbenoberteils immer gewisse und optimierte Abstände einhält. durch welche die erforderliche Festigkeit des Kolbenbodens erhalten bleibt. Andererseits wird immer eine solche Mindestwandstärke (Mindestabstand) gewählt, daß bei Einhaltung der geforderten Festigkeit ein größtmöglicher Querschnitt des Kühlkanales erzielt werden kann. D. h., daß der für den Kühlkanal zur Verfügung stehende Raum bei radial umlaufendem Verlauf variieren kann und insbesondere den komplexen Gestaltungen der Brennraummulde angepaßt ist. According to the invention it is provided that the spatial extent of the cavity at least in part by at least a minimum distance to a form The area of the upper piston part is limited and the minimum distance in terms of Strength is optimized, the cavity being radially circumferential between the ring field and the combustion chamber trough is arranged. The latter feature causes in advantageous that the due to high combustion pressures and high Combustion temperatures heavily used upper area (piston crown) of the piston is cooled very well, since the cooling medium (especially engine oil) completely around the Can circulate around the combustion chamber and cool this area. To this Purpose are from the inside of the piston to the cavity inlet and There are drainage openings through which the cooling medium enters the cavity and can leave it again. Furthermore, to increase the cooling capacity provided that the available radial space between the limits of the combustion chamber trough and the ring field is used to to enlarge the cavity (cooling channel) without the relevant strength of the Piston crown is affected. D.H. that the cooling channel in terms of its Shaping on the one hand z. B. a certain radially circumferential minimum wall thickness of Ringfeldes, on the other hand, also follows the complex shapes of the Adjusting the combustion chamber trough, its cross-section changed. That is, a shape (in particular cross-section) of the cooling channel is realized, which leads to the shaping Areas of the upper piston part always maintains certain and optimized distances. through which the required strength of the piston crown is maintained. On the other hand, such a minimum wall thickness (minimum distance) is always chosen that at Compliance with the required strength is the largest possible cross section of the Cooling channel can be achieved. That is, that available for the cooling channel Space can vary with a radial circumferential course and in particular the complex designs of the combustion chamber bowl is adapted.

Ein solch komplexer Verlauf des Kühlkanales wird insbesondere durch einen löslichen Kern hergestellt, wobei in an sich bekannter Weise der Kern als Formteil in ein Gießwerkzeug eingebracht und beim Gießen des Kolbenrohlings von Gießschmelze umgeben wird. Nach dem Erstarren der Gießschmelze wird zum Beispiel zumindest eine Bohrung in Richtung des löslichen Kernes in den Kolbenrohling eingebracht und der lösliche Kern ausgespült. Anschließend verbleibt ein Hohlraum, der den Kühlkanal darstellt, der einerseits eine optimale Kühlleistung ermöglicht und andererseits die geforderte Festigkeit des Kolbenbodens erzielt. Wird der lösliche Kern durch Pinolen auf dem Gießkern gehalten, kann ein Ausspülen des Kerns durch Entfernen der Pinolen erfolgen. Such a complex course of the cooling channel is particularly caused by a Soluble core produced, the core as a molded part in a known manner Casting tool introduced and when casting the piston blank of molten metal is surrounded. After the pouring melt solidifies, for example, at least a hole is made in the direction of the soluble core in the piston blank and the soluble core is rinsed out. Then there remains a cavity that the Represents cooling channel, which on the one hand enables optimal cooling performance and on the other hand achieved the required strength of the piston crown. Will the soluble core through Pinolen held on the casting core can be rinsed out of the core by removal of the quills.

Die Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung erläutert und in den Figuren gezeigt, wobei hinsichtlich der Formgebung die Erfindung nicht auf die gezeigte Darstellungsform beschränkt ist. The invention is explained based on the following description and in the figures shown, with respect to the shape of the invention not to that shown Form of presentation is limited.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Schnitt durch einen Kolben, Fig. 1 section by a piston,

Fig. 2 löslicher Kern zur Herstellung des Kühlkanales. Fig. 2 soluble core for the production of the cooling channel.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1, der einteilig oder mehrteilig sein kann. Dieser Kolben 1 besteht aus einem Kolbenoberteil 2 (auch Kolbenboden genannt) sowie einem Kolbenunterteil 3 mit anhängenden Naben und Bolzenbohrung. Das Kolbenoberteil 2 weist ein Ringfeld 4 auf, hinter dem ein radial umlaufender Hohlraum 5 (Kühlkanal) angeordnet ist. Weiterhin ist eine Brennraummulde 6 vorhanden, die radial umlaufend von einer Firstlinie 7 begrenzt ist. Die Bolzenbohrung des Kolbenunterteiles 3 wird begrenzt durch eine Unterseite 8 des Kolbenoberteiles 2, in dem in etwa unterhalb der Brennraummulde 6 auch ein Innenraum 9 vorhanden ist. Fig. 1 shows a piston 1 , which can be in one part or in several parts. This piston 1 consists of an upper piston part 2 (also called piston head) and a lower piston part 3 with attached hubs and pin bore. The upper piston part 2 has an annular field 4 , behind which a radially circumferential cavity 5 (cooling channel) is arranged. There is also a combustion chamber trough 6 which is delimited radially all round by a ridge line 7 . The pin bore of the lower piston part 3 is limited by an underside 8 of the upper piston part 2 , in which an interior space 9 is also present approximately below the combustion chamber trough 6 .

Zunächst ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Hohlraum 5 radial umlaufend zwischen dem Ringfeld 4 und der Brennraummulde 6 angeordnet ist. Aufgrund der komplexen Gestaltung der Brennraummulde 6 kommt es beispielsweise im Bereich der Firstlinie 7 zu unterschiedlichen Breiten des oberen Randes der Brennraummulde 6. Gleiches gilt auch für den Abstand zwischen der Oberfläche der Brennraummulde 6 und der Unterseite 8 und der Oberfläche des Innenraumes 9. An dieser Stelle setzt die Erfindung ein, daß nämlich die räumliche Ausdehnung des Hohlraumes 5, also dessen Querschnitt, einerseits durch formgebende Bereiche des Kolbenoberteiles 2, wie nämlich dem Ringfeld 4, der Brennraummulde 6, der Firstlinie 7, der Unterseite 8 und/oder des Innenraumes 9 begrenzt ist, andererseits dieser Mindestabstand aber hinsichtlich der Festigkeit optimiert, also weitestgehend verkleinert ist. Diese Optimierung (Verringerung) erfolgt derart, daß der Querschnitt des Hohlraumes 5 unter Beibehaltung der geforderten Festigkeit weitestgehend maximiert ist. Diese Mindestabstände zwischen der äußeren Oberfläche des Hohlraumes 5 und den formgebenden Bereichen des Kolbenoberteiles 2 sind beispielhaft mit den Bezugsziffern 10 bis 13 bezeichnet. First, it is provided according to the invention that the cavity 5 is arranged radially circumferentially between the ring field 4 and the combustion chamber trough 6 . Due to the complex design of the combustion chamber trough 6 it is for example in the region of the ridge line 7 at different widths of the top edge of the combustion bowl. 6 The same also applies to the distance between the surface of the combustion chamber trough 6 and the underside 8 and the surface of the interior 9 . At this point, the invention begins, namely that the spatial expansion of the cavity 5 , i.e. its cross section, on the one hand through shaping regions of the upper piston part 2 , such as the ring field 4 , the combustion chamber trough 6 , the ridge line 7 , the underside 8 and / or the Interior 9 is limited, on the other hand, this minimum distance is optimized in terms of strength, so it is largely reduced. This optimization (reduction) takes place in such a way that the cross section of the cavity 5 is maximized as much as possible while maintaining the required strength. These minimum distances between the outer surface of the cavity 5 and the shaping regions of the piston upper part 2 are designated by way of example with the reference numbers 10 to 13 .

Eine entsprechende beispielhafte Form für einen sich daraus ergebenden Hohlraum 5 ist in Fig. 2 derart dargestellt, daß dort ein löslicher Kern 14 gezeigt ist, der den komplexen Formen der Brennraummulde 6 angepaßt ist und der hinsichtlich seines maximalen Volumens und der maximalen Festigkeit des Kolbens 1 optimiert ist. Ein solcher löslicher Kern 14 (beispielsweise ein Sand- oder Salzkern) wird vor dem Gießen des Rohlings des Kolbens 1 in das Gießwerkzeug eingebracht und anschließend mit Gießschmelze umgeben. Nach dem Erstarren der Gießschmelze kann z. B. von dem Innenraum 9 aus eine Bohrung in Richtung des Hohlraumes 5, in dem sich noch der lösliche Kern 14 befindet, eingebracht und der lösliche Kern ausgespült werden. Diese Bohrung kann auch als Zulauföffnung für ein Kühlmedium dienen, wobei es denkbar ist, andere oder weitere Öffnungen für den Zulauf und/oder den Ablauf des Kühlmediums einzubringen. A corresponding exemplary shape for a cavity 5 resulting therefrom is shown in FIG. 2 in such a way that a soluble core 14 is shown there, which is adapted to the complex shapes of the combustion chamber trough 6 and which with regard to its maximum volume and the maximum strength of the piston 1 is optimized. Such a soluble core 14 (for example a sand or salt core) is introduced into the casting tool before casting the blank of the piston 1 and then surrounded with casting melt. After the casting melt has solidified, e.g. B. from the interior 9 from a bore in the direction of the cavity 5 , in which the soluble core 14 is still located, introduced and the soluble core can be rinsed out. This bore can also serve as an inlet opening for a cooling medium, it being conceivable to introduce other or further openings for the inlet and / or outlet of the cooling medium.

Zusammenfassend läßt sich also mit dem optimierten Hohlraum 5 die Materialanhäufung im Kolbenoberteil 2 sowie das Temperaturniveau in diesem Kolbenoberteil 2 optimal herabsetzen, was durch die Anpassung des Hohlraumes 5 insbesondere an die jeweilige Kontur der Brennraummulde 6 des Kolbens 1 erreicht wird. Ein solcher Kolben 1 findet insbesondere Anwendung bei Ottodirekt-Einspritzkolben, bei denen das Gewichts- und Temperaturniveau deutlich über den von normalen Ottokolben liegt. Gleiches gilt für Dieselkolben. In summary, with the optimized cavity 5, the material accumulation in the upper piston part 2 and the temperature level in this upper piston part 2 can be optimally reduced, which is achieved by adapting the cavity 5 in particular to the respective contour of the combustion chamber bowl 6 of the piston 1 . Such a piston 1 is used in particular in gasoline direct injection pistons in which the weight and temperature level is significantly higher than that of normal gasoline pistons. The same applies to diesel pistons.

Claims

Piston ( 1 ), consisting of an upper piston part ( 2 ) and a lower piston part ( 3 ), the upper piston part ( 2 ) having at least one ring field ( 4 ), a cavity ( 5 ) and a combustion chamber trough ( 6 ), characterized in that the spatial expansion of the cavity ( 5 ) at least partially limited by at least a minimum distance ( 10 to 13 ) to a shaping area of the piston upper part ( 2 ) and the minimum distance ( 10 to 13 ) is optimized with regard to the strength of the piston ( 1 ), the cavity ( 5 ) is arranged radially circumferentially between the ring field ( 4 ) and the combustion chamber trough ( 6 ).