DE1272630B

DE1272630B - Piston with high thermal and mechanical loads

Info

Publication number: DE1272630B
Application number: DEA38372A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Willy Hauck
Original assignee: Alcan Aluminiumwerke GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1961-09-20
Filing date: 1961-09-20
Publication date: 1968-07-11

Description

Thermisch und mechanisch hochbelastbarer Kolben Die Erfindung bezieht sich auf einen thermisch und mechanisch hochbelastbaren Kolben, insbesondere aus Leichtmetall, für Brennkraftmaschinen mit ebenem oder profiliertem Boden oder mit in den Kolbenboden eingeformtem Brennraum und mit auf dem Kolbenboden bzw. im Brennraum vorgesehenen Kerben.Pistons that can withstand high thermal and mechanical loads The invention relates to refer to a piston that can withstand high thermal and mechanical loads, in particular Light metal, for internal combustion engines with a flat or profiled floor or with Combustion chamber molded into the piston crown and with on the piston crown or in the combustion chamber provided notches.

Durch die fortschreitende Leistungssteigerung der Brennkraftmaschinen werden die Kolbenbodenteile in immer stärkerem Maße thermisch belastet. Insbesondere bei Dieselmaschinen erfolgt an der Stelle der Einspritzung des Brennstoffes eine gebietsweise überhitzung einzelner Kolbenbodenteile. Je nach dem verwendeten Einspritzsystem können ein oder mehrere Brennstoffstrahlen auf den Kolbenboden auftreffen. Die an den Auftreffstellen erfolgende besonders starke Erhitzung bedingt eine besonders starke örtliche Ausdehnung des Kolbenwerkstoffes. Dadurch werden die umliegenden Gebiete unterschiedlich belastet. Durch diese thermische Wechselbelastung bilden sich nach einiger Laufzeit feine Risse, die, bedingt durch die mechanische Wechselbelastung, Ansatzstellen zur Bildung von Dauerbrüchen geben können.Due to the progressive increase in performance of the internal combustion engines the piston crown parts are thermally stressed to an ever greater extent. In particular In the case of diesel engines, instead of the fuel being injected, a individual piston crown parts overheating in some areas. Depending on the injection system used one or more fuel jets can strike the piston crown. The on Particularly strong heating occurring at the points of impact causes a particularly high level of heating strong local expansion of the piston material. This will make the surrounding Areas polluted differently. Form through this alternating thermal load After some running time, fine cracks appear which, due to the alternating mechanical load, Can give starting points for the formation of fatigue fractures.

Derartige Kolbenschäden werden nicht nur an Kolben mit ebenen Bodenflächen beobachtet, sondern insbesondere auch an Kolben mit profiliertem Kolbenboden und bei Kolben mit in den Kolbenboden eingeformtem Brennraum. Zwar wird bei den letztgenannten Kolbenarten weniger die Wandung des Brennrauminneren beansprucht, die Rißansätze bilden sich jedoch am Rand des Brennraummundes aus, d. h. an der übergangsstelle zwischen Brennrauminnerem und Kolbenboden.Piston damage of this kind is not only found on pistons with flat bottom surfaces observed, but also in particular on pistons with a profiled piston crown and for pistons with a combustion chamber molded into the piston crown. It is true that the latter Types of piston less stressed the wall of the combustion chamber interior, the crack approaches however, form at the edge of the combustion chamber mouth, d. H. at the transition point between the interior of the combustion chamber and the piston crown.

Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, die beschriebenen Nachteile durch angepaßte Formgebung der thermisch besonders stark beanspruchten Kolbenteile zu beseitigen, da das Problem der Vermeidung einer unerwünschten Rißbildung auf der Kolbenbodenfläche bereits seit langer Zeit besteht. Die meisten bekannten Bauformen sehen Vertiefungen an den thermisch besonders hoch beanspruchten Stellen des Kolbenbodens, z. B. in Form von schmalen nutartigen Einschnitten vor.Various proposals have already been made, the ones described Disadvantages due to the adapted shape of the thermally particularly heavily stressed Eliminate piston parts, since the problem of avoiding undesirable cracking has existed on the piston crown surface for a long time. Most known Structural shapes see depressions in the areas that are particularly exposed to high thermal loads of the piston crown, e.g. B. in the form of narrow groove-like incisions.

Diese Vertiefungen sollen dazu dienen, die auftretenden Risse in eine bestimmte Richtung . zu lenken, aufzufangen und damit zu begrenzen. Nach der deutschen Patentschrift 826 994 sind an thermisch besonders hoch beanspruchten Stellen des Kolbens Vertiefungen in Form konzentrisch angeordneter Rillen eingestochen, oder die gefährdete Zone des Kolbenbodens ist durch kreuzweise verlaufende Einschnitte in kleine quadratische Felder unterteilt, wobei die Rinnen einen keilförmigen, sich nach der Oberfläche erweiternden Querschnitt aufweisen können.These depressions are intended to help the cracks that occur in a certain direction . to direct, to contain and thus to limit. According to the German Patent specification 826 994 are in places of particularly high thermal stress Piston indentations in the form of concentrically arranged grooves, or the endangered zone of the piston crown is through criss-cross cuts divided into small square fields, with the grooves forming a wedge-shaped may have a cross-section that widens towards the surface.

Um eine über den Nutengrund in das Kolbeninnere weiterreichende Rißbildung auszuschließen, sind nach der deutschen Patentschrift 282 326 Nuten vorgesehen, die sich an ihrem Grund verdicken, um sicher alle auftretenden Verformungsspannungen aufnehmen zu können. Vorzugsweise hat eine derartige Aufweitung einen kreisförmigen Querschnitt, um keinen Ansatzpunkt für einen weitergehenden Rißverlauf in das Kolbeninnere zu bilden. Teilweise hat man diese Nuten auch mit wärmeisolierendem Werkstoff ausgefüllt, um die durch den starkwandigen Kolbenboden bedingte Wärmeleitung zu verringern.To prevent further cracking into the inside of the piston via the bottom of the groove to be excluded, according to the German patent specification 282 326 grooves are provided, which thicken at their base in order to be sure of all occurring deformation stresses to be able to record. Such a widening is preferably circular Cross-section to avoid a starting point for further cracks in the interior of the piston to build. Some of these grooves have also been filled with heat-insulating material, to reduce the heat conduction caused by the thick-walled piston crown.

Ferner ist durch die USA.-Patentschrift 2 966145 ein Kolben bekannt, in dessen Boden verhältnismäßig tiefe Schlitze vorgesehen sind, die bis zur Mantelfläche des Kolbens durchlaufen und den Kolbenboden in eine Anzahl voneinander getrennter Segmente teilen. Diese Schlitze vermeiden bei Erwärmung Spannungen im Bereich des Kolbenkopfes durch die Möglichkeit einer Ausdehnung des Kolbenkopfbereiches. Die Bestrebungen im Kraftmaschinenbau gehen aber dahin, eine hohe Laufruhe zu gewährleisten, was auch am Kolbenkopf ein möglichst geringes Einbauspiel erfordert. Der vorbekannte Kolben macht jedoch wegen der Ausdehnbarkeit der einzelnen Segmente seines Kopfes ein vergrößertes Einbauspiel erforderlich. Auch bilden die tiefen Schlitze eine bevorzugte Stelle für den Ansatz von Ölkohle durch nicht verbrannte Rückstände des Brennstoffes, die dann nach dem Herausschleudern zwischen Zylinder- und Kolbenwand zerrieben wird und zu weiterer Störanfälligkeit führen kann. Die bekannten Bauformen stellen daher keine Ideallösung der mit der Rißbildung im. Kopf von Kolben zusammenhängenden Probleme dar. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, unter Vermeidung von Schlitzen, also ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeit des Kolbenkopfbereiches, eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit des Kolbens zu ermöglichen, gleichzeitig aber zu verhüten, daß sich eine allfällige Rißbildung über weitere Gebiete ausdehnt. Dies wird bei einem Kolben mit ebenem oder profiliertem Kolbenboden oder mit in den Kolbenboden eingeformtem Brennraum, bei welchem auf dem Kolbenboden bzw. im Brennraum Kerben vorgesehen sind, die von der Stelle oder den Stellen höchster thermischer Belastung im wesentlichen strahlenförmig in Richtung auf den Kolbenbodenrand verlaufen, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kerben vor dem Kolbenbodenrand in einem Sackloch oder in geringem Abstand vor einem Sackloch enden, wobei diese Kerben in an sich bekannter Weise nicht tiefer als breit sind. Die Achsen der Sacklöcher können parallel oder geneigt zur Kolbenachse verlaufen. In letzterem Fall laufen sie vorzugsweise im Kolbeninneren zusammen.Furthermore, a piston is known from US Pat. No. 2,966,145, relatively deep slots are provided in the bottom, which extend up to the lateral surface of the piston go through and the piston crown in a number of separated Split segments. These slots avoid tension in the area of the when heated Piston head due to the possibility of expanding the piston head area. the However, efforts in engine construction are aimed at ensuring a high level of running smoothness, which also requires the least possible installation clearance at the piston head. The known one Piston does, however, because of the expandability of the individual segments of its head an increased installation clearance is required. The deep slots also form one preferred place for the approach of oil coal through unburned residues of the Fuel, which is then thrown out between the cylinder and piston walls is crushed and can lead to further susceptibility to failure. the known designs are therefore not an ideal solution with the crack formation in the. head problems related to pistons. The object of the invention is to while avoiding slots, i.e. without impairing the mechanical strength of the piston head area, a high thermal and mechanical load capacity of the To enable piston, but at the same time to prevent a possible Cracking spreads over other areas. This is done with a flask with a level or profiled piston crown or with a combustion chamber molded into the piston crown, in which notches are provided on the piston crown or in the combustion chamber, which from the point or points of highest thermal load essentially radially run in the direction of the piston crown edge, achieved according to the invention by that the notches in front of the piston crown edge in a blind hole or at a small distance end in front of a blind hole, these notches not being deeper in a manner known per se than are wide. The axes of the blind holes can be parallel or inclined to the piston axis get lost. In the latter case, they preferably converge inside the piston.

Es wurde gefunden, daß sich bei Verwendung eines V-förmigen Kerbenprofils mit einer Kerbentiefe von Bruchteilen eines Millimeters bis etwa 3 mm eine besonders günstige Wirkung hinsichtlich der erstrebten Vermeidung einer Rißausbreitung ergibt. Die Kerbentiefe kann auch über die Länge der Kerben verschieden und vorzugsweise im Bereich der höchsten thermischen Belastung am größten sein. Bei Anordnung der Kerben in mit Brennräumen versehenen Kolben ergeben sich ähnliche Ausführungsformen, auf die in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eingegangen wird.It has been found that when using a V-shaped notch profile with a notch depth of fractions of a millimeter to about 3 mm, a special one favorable effect in terms of the desired avoidance of crack propagation results. The notch depth can also be different and preferably over the length of the notches be greatest in the area of the highest thermal load. When arranging the Notches in pistons provided with combustion chambers result in similar embodiments, which is discussed in the following description of exemplary embodiments.

Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar.The drawings represent exemplary embodiments of the subject matter of the invention represent.

F i g.1 ist eine Draufsicht auf einen Kolben mit profiliertem Kolbenboden und strahlenförmig angeordneten Kerben; F i g. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-11 in Fig.1; F i g. 3 ist ein Axialschnitt durch einen Kolbenboden mit in den Kolbenboden eingeformtem Brennraum; F i g. 4 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenboden nach F i g. 3; F i g. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kolbenbodens nach der Erfindung mit eingeformtem Brennraum.FIG. 1 is a plan view of a piston with a profiled piston head and radial notches; F i g. 2 shows a section along the line II-11 in Figure 1; F i g. 3 is an axial section through a piston head with in the Piston crown molded-in combustion chamber; F i g. 4 shows the top view of the piston head according to FIG. 3; F i g. 5 shows another embodiment of a piston head according to the invention with molded-in combustion chamber.

Der in F i g. 1 gezeigte Kolbenboden 2 des Kolbens 1 ist mit einem Profil 4 versehen, in das sechs Kerben 5 bis 10 eingearbeitet sind, die von einer Stelle 11 gradlinig nach außen gegen den Kolbenrand 3 des Kolbenbodens 2 verlaufen. Alle sechs Kerben 5 bis 10 münden in je einem Sackloch 15 bis 20. Wie man aus F i g. 2 erkennen kann, sind die Achsen 15 a bis 20 a der Sacklöcher 15 bis 20 gegen die Kolbenachse 12 des Kolbens 1 geneigt. So verläuft beispielsweise die Achse 20 a des Sacklochs 20 unter einem kleinen Winkel gegen die Kolbenachse 12. Auch die Achse 17 a des linken Sacklochs 17 ist unter einem bestimmten Winkel gegen die Kolbenachse 12 geneigt. Vorzugsweise sind alle Sacklöcher 15 bis 20 so gebohrt, daß ihre Achsen 15 a bis 20 a im Kolbeninneren, und zwar in oder in der Nähe der durch die Stelle 11 parallel zur Kolbenachse 12 verlaufenden Brennpunktachse 11 a, konvergieren.The in F i g. The piston head 2 of the piston 1 shown in FIG. 1 is provided with a profile 4 into which six notches 5 to 10 are incorporated, which run from a point 11 in a straight line outwards against the piston edge 3 of the piston head 2. All six notches 5 to 10 each open into a blind hole 15 to 20. As can be seen from FIG. 2, the axes 15 a to 20 a of the blind holes 15 to 20 are inclined relative to the piston axis 12 of the piston 1. For example, the axis 20 a of the blind hole 20 runs at a small angle to the piston axis 12. The axis 17 a of the left blind hole 17 is also inclined at a certain angle to the piston axis 12. Preferably, all blind holes 15 to 20 are drilled so that their axes 15 a to 20 a converge inside the piston, namely in or near the focal point axis 11 a running through the point 11 parallel to the piston axis 12.

Wie man aus F i g. 2 erkennt, ist das rechte Sackloch 20 an seinem Grund 44 etwa halbkugelförmig ausgebildet. Diese Ausbildung dient zur Verhinderung einer unerwünschten weiteren Rißbildung vom Sacklochende. Bei besonders großen Spannungen breiten sich die Risse jeweils von Stellen geringsten Widerstandes aus. Bei spitzgebohrten Sacklöchern stellt die Spitze der Bohrung eine solche Stelle dar. Es ist daher zweckmäßig, die Sacklöcher in der Art des Sackloches 20 mit einer halbkugelförmigen Rundung auslaufen zu lassen.As one can see from FIG. 2 recognizes, the right blind hole 20 is approximately hemispherical at its base 44. This training serves to prevent unwanted further cracking from the end of the blind hole. In the case of particularly high stresses, the cracks spread from points of lowest resistance. In the case of pointed blind holes, the tip of the bore represents such a point. It is therefore expedient to let the blind holes run out in the manner of the blind hole 20 with a hemispherical rounding.

Der in F i g. 3 gezeigte Kolbenboden ist mit einem in den Kolbenboden eingeformten Brennraum 13 versehen, der durch die Mündung 14 mit dem Hubraum in Verbindung steht. In ähnlicher Weise wie bei dem in Fi g. 1 gezeigten Kolbenboden 2 ist auch der Kolbenboden des Ausführungsbeispiels gemäß den F i g. 3 und 4 mit Kerben 21 bis 24 versehen, die von dem Rand 25 der Mündung 14 jeweils unter 90° gegeneinander versetzt nach außen verlaufen. Die Kerben 21 bis 24 sind in diesem Fall so weit nach außen geführt, daß die schräg geneigten Sacklöcher 31 bis 34 im Bereich der Brennraumwandung 26 des Brennraumes 13 enden. Wie man aus F i g. 3 erkennt, sind die Achsen 31 a und 33 a der beiden Sacklöcher 31 und 33 gegen die Symmetrieachse 27 der Brennkammer 13 unter einem Winkel von beispielsweise 30° geneigt. In ähnlicher Weise sind auch die Achsen 32 a und 34 a der Sacklöcher 32 und 34 gegen die Symmetrieachse 27 geneigt. Die bei Kolben mit in den Kolbenboden eingeformten Brennräumen angeordneten Kerben brauchen nicht, wie in dem in den F i g. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, am Rand 25 der Mündung 14 des Brennraumes 13 zu enden, sondern können, wie in F i g. 5 gezeigt, auch in das Innere des Brennraumes 28 hineinragen. In F i g. 5 sind zwei verschiedene Kerbenführungen eingezeichnet. Auf der rechten Seite der Abbildung läuft die Kerbe 35 vom Sackloch 30 in Richtung der Brennraumachse 36 bis zur Mündung 29, der Wandung der Mündung entlang und anschließend in der Brennraumwandung 38 des Brennraumes 28 bis zur Stelle 37, wo der Brennraum etwa seine größte Ausdehnung hat. Wie man aus der Abbildung erkennt, ist der Grund 39 des Sackloches 30 spitz ausgebildet, um gegebenenfalls von der Stelle 37 ausgehende feine Risse aufzunehmen. Die Kerbe 35 wird gegen die Stelle 37 in der Brennraumwandung 38 stetig flacher. Die - Achse 30 a des Sackloches 30 ist gegen die Brennraumachse 36 unter einem Winkel von beispielsweise 10° geneigt. Wie man aus den F i g. 1 und 4 erkennt, ist der Durchmesser des Sackloches etwas größer als die Breite der in dieses Sackloch einmündenden Kerben.The in F i g. The piston head shown in FIG. 3 is provided with a combustion chamber 13 which is molded into the piston head and which is connected to the displacement through the orifice 14. In a manner similar to that in FIG. The piston head 2 shown in FIG. 1 is also the piston head of the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4 provided with notches 21 to 24 , which extend outwards from the edge 25 of the mouth 14 offset from one another at 90 °. In this case, the notches 21 to 24 extend outward so far that the obliquely inclined blind holes 31 to 34 end in the region of the combustion chamber wall 26 of the combustion chamber 13. As one can see from FIG. 3 recognizes, the axes 31 a and 33 a of the two blind holes 31 and 33 are inclined relative to the axis of symmetry 27 of the combustion chamber 13 at an angle of, for example, 30 °. In a similar way, the axes 32 a and 34 a of the blind holes 32 and 34 are inclined relative to the axis 27 of symmetry. The notches arranged in pistons with combustion chambers molded into the piston crown do not need, as in the one shown in FIGS. 3 and 4 to end at the edge 25 of the mouth 14 of the combustion chamber 13 , but can, as in FIG. 5 also protrude into the interior of the combustion chamber 28. In Fig. 5 two different notch guides are shown. On the right side of the figure, the notch 35 runs from the blind hole 30 in the direction of the combustion chamber axis 36 to the mouth 29, along the wall of the mouth and then in the combustion chamber wall 38 of the combustion chamber 28 to the point 37, where the combustion chamber has approximately its greatest extent . As can be seen from the figure, the bottom 39 of the blind hole 30 is designed to be pointed in order to accommodate fine cracks emanating from the point 37, if necessary. The notch 35 becomes steadily flatter towards the point 37 in the combustion chamber wall 38. The axis 30 a of the blind hole 30 is inclined with respect to the combustion chamber axis 36 at an angle of, for example, 10 °. As one can see from FIGS. 1 and 4 recognizes, the diameter of the blind hole is slightly larger than the width of the notches opening into this blind hole.

In der linken Hälfte der Zeichnung, F i g. 5, ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem eine Kerbe 40 nur in der Wandung der Mündung 29 und in einem Teil der Brennraumwandung 38 des Brennraumes 28 bis zu einer Stelle verläuft, an der sie endet. Das Sackloch 42 ist bis in die Nähe des Kerbenendes 41 geführt, um gegebenenfalls die vom Kerbenende 41 auslaufenden feinen Haarrisse aufzunehmen. Diese Risse breiten sich nach der Richtung des geringsten Widerstandes, d. h. in Richtung der Spitze 43 des Sackloches 42, aus. Die Zahl der von der Mündung 29 in den Brennraum 28 einwärts und längs der Kolbenbodenfläche auswärts laufenden Kerben hängt von der Art und Belastung des Kolbens 1 ab. Bei Kolbenböden 2, auf denen durch das Auftreffen mehrerer Brennstrahlen einige Erhitzungszentren entstehen, können auch mehrere strahlenförmige Kerbensysteme vorgesehen werden.In the left half of the drawing, F i g. 5, an exemplary embodiment is shown in which a notch 40 extends only in the wall of the mouth 29 and in part of the combustion chamber wall 38 of the combustion chamber 28 up to a point at which it ends. The blind hole 42 is guided to the vicinity of the notch end 41 to receive, where appropriate, the expiring from the notched end 41 of fine hairline cracks. These cracks spread in the direction of the least resistance, ie in the direction of the tip 43 of the blind hole 42 . The number of notches running inwards from the opening 29 into the combustion chamber 28 and outwards along the piston crown surface depends on the type and load on the piston 1. In the case of piston heads 2, on which several heating centers arise as a result of the impingement of several combustion jets, several ray-shaped notch systems can also be provided.

Claims

Claims: 1. Pistons that can withstand high thermal and mechanical loads, in particular made of light metal, for internal combustion engines with flat or profiled Piston crown or with a combustion chamber molded into the piston crown and with on the piston crown or notches provided in the combustion chamber that are highest from the point or points thermal load from essentially radiating in the direction of the piston crown edge run, characterized in that the notches (5 to 10, 21 to 24, 35,40) in a manner known per se are not deeper than wide and are in front of the piston crown edge (3) in a blind hole (15 to 20, 30 to 34, 42) or at a short distance in front of one End the blind hole (15 to 20, 30 to 34, 42).

2. Piston according to claim 1, characterized in that the axes (15a, 16a, 17a, 20a. 30a to 34a, 42a) of the blind holes (15, 16, 17, 20, 30 to 34, 42) parallel or inclined to the piston axis (12), in the latter case they converge in the direction of the crank chamber, preferably in the interior of the piston.

3. Piston according to one of claims 1 or 2, characterized in that that the notches (5 to 10, 21 to 24, 35, 40) in a known manner a V-shaped Have a profile.

4. Piston according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the depth of the notches (5 to 10, 21 to 24, 35, 40) of fractions of a millimeter extends to about 3 mm.

5. Piston according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the depth of the notches (5 to 10, 21 to 24, 35, 40) varies over their length, is preferably greatest in the area of the highest thermal load.

6. Piston according to one of claims 1 to 5 with combustion chamber, characterized in that the Notches (5 to 10, 21 to 24, 35, 40) in a manner known per se into the mouth of the combustion chamber (13) are sufficient.

7. Piston according to claims 1 to 6, characterized in that that the notches (35, 40) extend into the inner wall of the combustion chamber (28). B.

Pistons according to claims 6 and 7, characterized in that blind holes (30) from the end the notches (21 to 24, 35) extend into the vicinity of the combustion chamber wall (26, 38).

9. Piston according to claims 6 or 7, characterized in that the notches (40) only in the combustion chamber wall (38) and possibly up to the mouth (29) of the The combustion chamber (28) run, with blind holes emanating from the piston crown surface (42) extend into the area of the inner notch ends (41).

10. piston after one of claims 1 to 9, characterized in that the diameter of the blind holes (15 to 20, 30 to 34, 42) larger than the width of the notches (5 to 10, 21 to 24, 35, 40) is.

11. Piston according to one of claims 1 to 10, characterized in that that the base (44) of the blind holes (20) is approximately hemispherical. In Considered publications: German patent specifications No. 282 326, 826 994, 904 609; French Patent No. 811000; U.S. Patent No. 1637 273, 2 966145.