DE10334476A1 - Piston for internal combustion engine, comprises a combustion-chamber bowl which has a circular bowl edge, with bowl edge having at least one sheet metal part for reinforcing - Google Patents

Piston for internal combustion engine, comprises a combustion-chamber bowl which has a circular bowl edge, with bowl edge having at least one sheet metal part for reinforcing Download PDF

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Abstract

The piston comprises a combustion-chamber bowl (5) which has a circular bowl edge. The bowl edge has at least one sheet metal part (1) for reinforcing. The sheet metal part is fixed to the bowl edge by means of a positive fit. The sheet metal part may be detachably connected to the bowl edge. The bowl edge has a circumferential depression (7), in which the sheet metal part can be inserted.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einer Brennraummulde gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The The invention relates to a piston with a combustion bowl according to the features the preamble of claim 1.

Moderne Kolben für Brennkraftmaschinen weisen insbesondere zur Optimierung der Verbrennung des Kraftstoffes eine spezifisch geformte Brennraummulde auf. Aufgrund der für eine optimale Verbrennung erforderlichen Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen ist der umlaufende Muldenrand dieser Brennraummulde hoch beansprucht. Daher sind schon Maßnahmen zur Verstärkung dieses Muldenrandes vorgesehen worden. In Betracht kommt eine Beschichtung des Muldenrandes, die aufgrund einer relativ dünnen Schichtdicke nicht für die heutigen Anforderungen ausreichend ist. Daher ist schon daran gedacht worden, beim Gießen des Kolbenrohlings ein Verstärkungsteil vorzusehen, welches sich im oberen Muldenrand befindet und zur Verstärkung beitragen soll. Hierbei stellt sich aber die Schwierigkeit, daß aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen beim Eingießen und im Regelfall auch aufgrund unterschiedlicher Materialien von Kolben und Verstärkungsmaterial keine ausreichend hohe Verbindung zwischen den beteiligten Materialien erzielt wird, so daß hier die Gefahr besteht, daß sich das eingegossene Material beim Betrieb des Kolbens löst und zu Beschädigungen oder zum Ausfall der Brennkraftmaschine führt.modern Piston for Internal combustion engines have in particular to optimize the combustion of the fuel on a specifically shaped combustion bowl. by virtue of the for optimum combustion required ignition pressures and combustion temperatures the circumferential trough edge of this combustion bowl is highly stressed. Therefore, there are already measures for reinforcement this trough edge has been provided. A coating is considered the trough edge, due to a relatively thin layer thickness not for today Requirements is sufficient. Therefore, it has already been thought when casting the piston blank a reinforcing part provided, which is located in the upper trough edge and contribute to the reinforcement should. This raises but the difficulty that due different temperatures during pouring and usually also due different materials of piston and reinforcing material no sufficiently high connection between the materials involved is achieved, so here the danger exists that the poured material dissolves during operation of the piston and damage or leads to failure of the internal combustion engine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einer Brennraummulde, die einen umlaufenden Muldenrand aufweist, bereit zu stellen, bei dem der Muldenrand ausreichend und sicher verstärkt ist.Of the Invention is therefore based on the object, a piston of an internal combustion engine with a combustion bowl, which has a circumferential bowl rim, to provide, in which the trough edge sufficiently and safely reinforced is.

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

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Muldenrand zumindest teilweise ein Blechteil zur Verstärkung aufweist, wobei in weiterhin erfinderischer Weise das Blechteil mittels Formschluß und/oder zumindest an einer Stelle unlösbar, insbesondere mittels eines Schweißvorganges, mit dem Muldenrand verbindbar ist. Ein Blechteil zur Verstärkung des Muldenrandes hat mehrere Vorteile. Einerseits kann ein solches Blechteil kostengünstig aus einem Blechmaterial gefertigt werden, wodurch sich gerade bei der Serienherstellung von Kolben Kostenvorteile ergeben. Weiterhin ist ein Vorteil darin zu sehen, daß das Blechteil in seiner Stärke variieren kann und somit eine Stärke für das Blechteil auswählbar ist, die den geometrischen Verhältnissen der Brennraummulde beziehungsweise des Muldenrandes entspricht und die für die jeweiligen Anforderungen insbesondere hinsichtlich der eingesetzten Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen ausreichend ist.According to the invention, it is provided that the trough edge at least partially has a sheet metal part for reinforcement, wherein in further inventive manner the sheet metal part by means of positive engagement and / or unsolvable at least in one place, in particular by means of a welding process, with the trough edge is connectable. A sheet metal part to reinforce the trough edge has several advantages. On the one hand, such a sheet metal part is inexpensive be made of a sheet metal material, which is just at the Serial production of pistons results in cost advantages. Furthermore is to see an advantage in that the Sheet metal part in its strength can vary and thus a strength for the Sheet metal part is selectable, the geometric conditions the combustion chamber trough or the trough edge corresponds and the for the particular requirements, in particular with regard to the used Ignition pressures and Combustion temperatures is sufficient.

Aufgrund dieser Zünddrücke und Verbrennungstemperaturen schützt das Blechteil (Feuerblech) den Muldenrand vor hohen Temperaturen und auch vor starken Temperaturwechseln, so daß die Haltbarkeit des gesamten Kolbens gesteigert wird. Hierzu besteht das Blechteil in besonders vorteilhafter Weise aus einem hoch temperaturfesten Material. Dadurch kann das Blechteil die bei der Verbrennung mit hohen Temperaturen und dem anschließenden Einspritzen von Kraftstoff (beziehungsweise eines Kraftstoff-Luft-Gemisches) mit niedrigeren Temperaturen entstehende Temperaturwechsel wesentlich besser auffangen als ein Muldenrand, der aus dem gleichen Material wie der Kolben besteht oder der lediglich eine sehr dünne Beschichtung aufweist. Bei dem den Muldenrand umgebenden Blechteil ist außerdem der Vorteil gegeben, daß im Muldenrandbereich keine Verspannungen auftreten können, insbesondere dann nicht, wenn das Blechteil keine materialschlüssige Verbindung mit dem Muldenrand eingeht.by virtue of these ignition pressures and Combustion temperatures protects the sheet metal part (fire plate) the trough edge from high temperatures and also against strong temperature changes, so that the durability of the entire Piston is increased. For this purpose, the sheet metal part in particular Advantageously, from a high temperature resistant material. Thereby The sheet metal part can be burned at high temperatures and the subsequent injection of fuel (or of a fuel-air mixture) Temperature changes with lower temperatures are much better catch as a trough edge, made of the same material as the piston is made or only a very thin coating having. In the surrounding the trough edge sheet metal part is also the Given that advantage in the Muldenrandbereich no tension can occur, in particular then not if the sheet metal part no material connection comes in with the trough edge.

Weiterhin hat ein solches Blechteil den Vorteil, daß es vor der Montage und Verbindung mit dem Muldenrand vorgeformt und einfach eingesetzt werden kann. Erfolgt vor dem Einsetzen keine Verformung, so kann diese während oder nach dem Einsetzen in den Muldenrand erfolgen. So ist es beispielsweise denkbar, daß ein Blechteil in eine in etwa zylindrische Form gebracht wird und anschließend mit einem geeigneten Werkzeug aufgeweitet wird, so daß es am umlaufenden Muldenrand teilweise oder in vorteilhafter Weise vollständig zur Anlage kommt. Denkbar ist auch, daß das Blechteil eine zylindrische Form bekommt, die schon der späteren Anlage und auch der Kontur des Muldenrandes entspricht. Um ein solches vorgeformtes Blechteil mittels Formschluß an dem Muldenrand zu befestigen, wird es an zumindest einer Stelle aufgetrennt und kann dann durch Zusammenbiegen an einen Hinterschnitt des Muldenrandes gebracht werden. Anschließend erfolgt ein Aufweiten des Blechteiles in seine ursprüngliche Form, wobei zur Lagefixierung die Trennstelle zusammengefügt wird. Ergänzend oder zusätzlich ist es denkbar, daß das Blechteil zumindest an einer Stelle oder teilweise umlaufend oder vollständig umlaufend mit dem Muldenrand verbindbar ist. Auch hier kommt wieder ein Schweißvorgang in Frage, wobei auch andere Fügemethoden nicht ausgeschlossen sind. Allerdings ist eine Fügung mittels eines Schweißvorganges von besonderem Vorteil, da eine solche Schweißverbindung den hier herrschenden Bedingungen (Drücke und Temperaturen, die beim Verbrennen des Kraftstoffes beziehungsweise des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstehen) standhalten.Farther has such a sheet metal part has the advantage that it is prior to assembly and connection preformed with the trough edge and easy to use. If no deformation occurs before insertion, it may occur during or done after insertion in the trough edge. That's the way it is, for example conceivable that one Sheet metal part is brought into an approximately cylindrical shape and then with a suitable tool is expanded, so that it on circumferential trough edge partially or advantageously completely to Plant comes. It is also conceivable that the sheet metal part has a cylindrical shape who gets the later Plant and the contour of the trough edge corresponds. To such a preformed sheet metal part to be attached by means of positive engagement on the trough edge, it is separated in at least one place and can then through Bending brought to an undercut of the trough edge become. Subsequently a widening of the sheet metal part takes place in its original Form, wherein the separation point is joined together for fixing the position. additional or additionally it is conceivable that the Sheet metal part at least at one point or partially encircling or Completely circumferentially connectable to the trough edge. Again, come again a welding process in question, although other joining methods are not excluded. However, a joining by means of a welding process of particular advantage, since such a welded joint conditions prevailing here (Press and temperatures when burning the fuel respectively of the fuel-air mixture emerge).

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.embodiments However, the invention to which this is not limited, are described below and explained with reference to the figures.

Es zeigen:It demonstrate:

1–3: Blechteil, Kolben und im Kolben eingebautes Blechteil, 1 - 3 : Sheet metal part, piston and sheet metal part installed in the piston,

4: Verfahren der Montage eines Blechteiles in einem Kolben. 4 : Method of mounting a sheet metal part in a piston.

1 zeigt im Schnitt ein erfindungsgemäß geformtes Blechteil, welches weitestgehend den Konturen des Muldenrandes einer Brennraummulde eines Kolbens entspricht. Dabei ist zu erkennen, daß das Blechteil 1 einen im Querschnitt dünneren oberen Teil aufweist, der in Richtung der Ventile im Zylinder der Brennkraftmaschine zeigt. Nach unten, das heißt in Kolbenbewegungsrichtung in Richtung der nicht dargestellten Kolbenschäfte, weist das Blechteil 1 einen dickeren unteren Teil auf, wobei die nach außen zeigende Kontur des unteren Teiles 3 einer entsprechenden Kontur für einen Formschluß im Muldenrand entspricht. 1 shows in section an inventively shaped sheet metal part, which largely corresponds to the contours of the trough edge of a combustion bowl of a piston. It can be seen that the sheet metal part 1 has a thinner in cross-section upper part, which points in the direction of the valves in the cylinder of the internal combustion engine. Down, that is in the piston movement direction in the direction of the piston shafts, not shown, has the sheet metal part 1 a thicker lower part, wherein the outwardly facing contour of the lower part 3 a corresponding contour for a positive engagement in the trough edge corresponds.

2 zeigt ausschnittsweise einen Kolben 4 (insbesondere dessen Kolbenboden), der in vereinfachter Darstellungsweise eine Brennraummulde 5 aufweist. Die Brennraummulde 5 ist beispielhaft gezeigt und kann verschiedene geometrische Formen aufweisen, je nachdem, ob ein Kolben 4 für eine Otto- oder eine Dieselbrennkraftmaschine eingesetzt wird. Am oberen Ende der Brennraummulde 5 ist ein Muldenrand 6 vorhanden, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Muldenrand 6 eine teilweise oder vollständige Vertiefung 7 aufweist und die Kontur der Vertiefung 7 der Verdickung des unteren Teiles 3 (1) entspricht. Mit der Ausgestaltung des unteren Teiles 3 des Blechteiles 1 und der Vertiefung 7 in dem Muldenrand 6 wird ein Hinterschnitt realisiert, über den das Blechteil 1 mittels Formschluß an dem Muldenrand 6 befestigbar ist. Zur Befestigung kann vorgesehen werden, daß das zylindrisch geformte einstückige Blechteil 1 an einer beliebigen Stelle aufgetrennt, zusammen gedrückt und in Axialrichtung des Kolbens 4 in die Brennraummulde 5 eingesetzt wird, bis der untere Teil 3 des Blechteiles 1 auf Höhe der Vertiefung 7 zu liegen kommt. Im Regelfall wird aufgrund des verwendeten Blechmaterials des Blechteiles 1 beim Zusammendrücken und Einsetzen des Blechteiles 1 in die Brennraummulde 5 eine Federkraft entstehen, die bewirkt, daß das Blechteil 1 mit seinem unteren dickeren Teil 3 in die Vertiefung 7 zurück schnellt, so daß es in dieser Lage mittels Formschluß am Muldenrand 6 befestigt ist. Wenn das Blechteil 1 diese Position zur Verstärkung des Muldenrandes 6 eingenommen hat, kann die Trennstelle und/oder das Blechteil 1 selber noch durch einen Fügevorgang (insbesondere Verschweißen) mit dem Muldenrand 6 verbunden werden. 2 shows a detail of a piston 4 (Especially the piston crown), which in a simplified representation, a combustion bowl 5 having. The combustion bowl 5 is shown by way of example and may have various geometric shapes, depending on whether a piston 4 is used for a gasoline or a diesel internal combustion engine. At the top of the combustion bowl 5 is a trough edge 6 present, in this embodiment, the trough edge 6 a partial or complete recess 7 has and the contour of the recess 7 the thickening of the lower part 3 ( 1 ) corresponds. With the design of the lower part 3 of the sheet metal part 1 and the depression 7 in the trough edge 6 an undercut is realized over which the sheet metal part 1 by means of positive engagement on the trough edge 6 is fastened. For attachment can be provided that the cylindrically shaped one-piece sheet metal part 1 separated at any point, pressed together and in the axial direction of the piston 4 into the combustion chamber 5 is used until the lower part 3 of the sheet metal part 1 at the height of the depression 7 to come to rest. As a rule, due to the sheet material used of the sheet metal part 1 during compression and insertion of the sheet metal part 1 into the combustion chamber 5 create a spring force, which causes the sheet metal part 1 with its lower thicker part 3 into the depression 7 jump back so that it is in this position by means of positive locking on the edge of the bowl 6 is attached. When the sheet metal part 1 this position to reinforce the trough edge 6 has taken the separation point and / or the sheet metal part 1 even by a joining process (in particular welding) with the trough edge 6 get connected.

3 zeigt ein mittels Formschluß zur Verstärkung des Muldenrandes 6 in die Brennraummulde 5 eingesetztes Blechteil 1, wobei die Anlage des unteren dickeren Teiles 3 des Blechteiles 1 in die Vertiefung 7 zu erkennen ist. Zusätzlich ist noch eine Verbindungsstelle 8 gezeigt, mit der das Blechteil 1 punktweise, abschnittsweise und/oder vollständig umlaufend mit dem Kolben 4 verbunden ist. 3 shows a means of positive engagement to reinforce the trough edge 6 into the combustion chamber 5 inserted sheet metal part 1 , where the attachment of the lower thicker part 3 of the sheet metal part 1 into the depression 7 can be seen. In addition, there is still a connection point 8th shown with the sheet metal part 1 pointwise, in sections and / or completely circulating with the piston 4 connected is.

4 zeigt die Draufsicht auf den Kolben 4 mit seiner in diesem Fall kreisrunden Brennraummulde 5, wobei weiterhin zu erkennen ist, daß das Blechteil 1 beispielsweise in die in 4 gezeigte Form vorgeformt wurde. Durch diese in etwa herzförmige Vorformung ist es möglich, daß das Blechteil 1 mit seinem unteren Teil mit einem entsprechend geformten Hinterschnitt des Muldenrandes 6 in Anlage gebracht werden kann. Zur endgültigen Lagefixierung wird die gezeigte Ausbuchtung des Blechteiles 1 derart verformt, daß das gesamte Blechteil 1 vollständig radial umlaufend an dem Muldenrand 6 zur Anlage kommt. 4 shows the top view of the piston 4 with his in this case circular combustion bowl 5 , wherein furthermore it can be seen that the sheet metal part 1 for example, in the 4 shown shape was preformed. By this approximately heart-shaped preforming, it is possible that the sheet metal part 1 with its lower part with a correspondingly shaped undercut of the trough edge 6 can be planted. For final position fixation is the bulge of the sheet metal part shown 1 deformed so that the entire sheet metal part 1 completely radially encircling the trough edge 6 comes to the plant.

Eine weitere Alternative der Lagefixierung eines erfindungsgemäßen Blechteiles an dem Muldenrand der Brennraummulde ist darin zu sehen, daß ein Blechteil mit konstanter Wandstärke verwendet und in die Brennraummulde bis über der in dem Kolben vorhandenen Eindrehung (Hinterschnitt) geschoben wird. Der die Eindrehung (Hinterschnitt) überdeckende Teil des Blechteiles wird danach eingewalzt, wodurch das Blechteil am Muldenrand in der Brennraummulde in seiner Lage fixiert wird.A Another alternative fixing the position of a sheet metal part according to the invention at the trough edge of the combustion bowl is to be seen in that a sheet metal part with constant wall thickness used and in the combustion bowl to above the existing in the piston Insertion (undercut) is pushed. The recess (undercut) covering Part of the sheet metal part is then rolled, whereby the sheet metal part is fixed in its position on the edge of the bowl in the combustion bowl.

Zur weiteren Verbesserung der Einbindung und vor allen Dingen auch um Überhitzungen des Blechteiles zu vermeiden, kann dieses punktweise, abschnittsweise oder auch vollständig rückseitig mittels eines Fügevorganges (insbesondere mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißen) mit dem Muldenrand des Kolbens verbunden werden. Je nach Geometrie der Brennraummulde ist es auch denkbar, daß das Blechteil einfach zylinderförmig gestaltet ist und mittels des erwähnten Fügevorganges mit dem Muldenrand verbunden wird. Zur Steigerung der thermischen Isolation zwischen der Umgebung in dem Zylinder der Brennkraftmaschine und dem Muldenrand und auch zur Steigerung der Haltbarkeit kann das Blechteil auch als Doppel- oder Mehrwandkonstruktion ausgeführt sein. Denkbar sind auch zwei oder mehrere ineinander gefügte Bleche, die eine Sandwichkombination bilden, vor allen Dingen dann, wenn im Schnitt betrachtet mehrere übereinander liegende Bleche gleicher oder unterschiedlicher Materialien verwendet werden. Ebenso ist es denkbar, daß bei koaxialem Einsatz mehrerer Bleche die Höhe (die Erstreckung der Bleche in Kolbenbewegungsrichtung) gleich oder voneinander unterschiedlich sind. Darüber hinaus ist an Stelle einer unlösbaren Verbindung des zumindest einen Blechteiles mit dem Kolben auch eine lösbare Verbindung denkbar.To further improve the integration and, above all, to avoid overheating of the sheet metal part, this pointwise, in sections or even completely back by means of a joining process (in particular by laser or electron beam welding) are connected to the trough edge of the piston. Depending on the geometry of the combustion bowl, it is also conceivable that the sheet metal part is simply cylindrical and is connected by means of the mentioned joining process with the trough edge. To increase the thermal insulation between the environment in the cylinder of the internal combustion engine and the trough edge and also to increase the durability, the sheet metal part can also be designed as a double or multi-wall construction. It is also conceivable two or more nested sheets that form a sandwich combination, especially when viewed in section, several overlapping sheets of the same or different materials are used. It is also conceivable that with coaxial use of several sheets, the height (the Extension of the sheets in the piston movement direction) are equal or different from each other. In addition, a releasable connection is conceivable instead of a permanent connection of the at least one sheet metal part with the piston.

11
Blechteilsheet metal part
22
Oberer TeilOberer part
33
Unterer Teillower part
44
Kolbenpiston
55
BrennraummuldeCombustion bowl
66
Muldenrandbowl edge
77
Vertiefungdeepening
88th
Verbindungsstellejunction

Claims (8)

Kolben (4) mit einer Brennraummulde (5), die einen umlaufenden Muldenrand (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrand (6) zumindest teilweise ein Blechteil (1) zur Verstärkung aufweist.Piston ( 4 ) with a combustion bowl ( 5 ), which have a circumferential trough edge ( 6 ), characterized in that the trough edge ( 6 ) at least partially a sheet metal part ( 1 ) for amplification. Kolben (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechteil (1) mittels Formschluß an dem Muldenrand (6) befestigt ist.Piston ( 4 ) according to claim 1, characterized in that the sheet metal part ( 1 ) by means of positive engagement at the trough edge ( 6 ) is attached. Kolben (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechteil (1) zumindest an einer Stelle unlösbar mit dem Muldenrand (6) verbindbar ist.Piston ( 4 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the sheet metal part ( 1 ) at least at one point insoluble with the trough edge ( 6 ) is connectable. Kolben (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrand (6) eine umlaufende Vertiefung (7) aufweist, in die das insbesondere eine zumindest teilweise umlaufende Verdickung (unterer Teil 3) aufweisende Blechteil (1) einbringbar ist.Piston ( 4 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the trough edge ( 6 ) a circumferential depression ( 7 ), in which in particular an at least partially encircling thickening (lower part 3 ) having sheet metal part ( 1 ) can be introduced. Kolben (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrand (6) einen Hinterschnitt aufweist, hinter den das Blechteil (1) durch Verformung festlegbar ist.Piston ( 4 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the trough edge ( 6 ) has an undercut behind which the sheet metal part ( 1 ) can be fixed by deformation. Kolben (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Blechteile (1) koaxial an dem Muldenrand (6) befestigbar sind.Piston ( 4 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two sheet metal parts ( 1 ) coaxial with the trough edge ( 6 ) are fastened. Kolben (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Blechteile (1) aus gleichen oder voneinander unterschiedlichen Materialien bestehen.Piston ( 4 ) according to claim 6, characterized in that the at least two sheet metal parts ( 1 ) consist of the same or different materials. Kolben (4) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zwei Blechteile (1) gleiche oder voneinander unterschiedliche Längserstrekkungen in Richtung der Bewegungsachse des Kolbens (4) aufweisen.Piston ( 4 ) according to claim 6 or 7, characterized in that the at least two sheet metal parts ( 1 ) equal or different longitudinal extensions in the direction of the axis of movement of the piston ( 4 ) exhibit.
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