DE1905029C - Pistons for direct injection internal combustion engines - Google Patents
Pistons for direct injection internal combustion enginesInfo
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Description
5050
Die Erfindung betrifft einen Kolben für direkt einspritzende Brennkraftmaschinen, mit einem in seinem Boden eingesetzten, fest mit ihm verbundenen, in seiner Form dem jeweiligen Brennverfahren angepaßten Brennraumeinsatz einer über dem Brennraumeinsatz aufgeschobenen und dicht verschweißten Schale, durch die ein innerer Kühlraum zur Regelung der Temperatur der Brennraumwand gebildet wird, und einer äußeren Kühlung für den die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenmantel sowie für die mittelbare Kühlung des im inneren Kühlraum befindlichen Kühlmittels bei Teil- und Vollastbetrieb der Maschine. The invention relates to a piston for direct injection Internal combustion engines, with an inserted in its base, firmly connected to it, Combustion chamber insert adapted in shape to the respective combustion process, one above the combustion chamber insert Slid-on and tightly welded shell, through which an inner cooling chamber for regulation the temperature of the combustion chamber wall is formed, and external cooling for the piston rings receiving piston skirt as well as for the indirect cooling of the one located in the inner cooling space Coolant with partial and full load operation of the machine.
Ein solcher Kolben ist bereits durch die niederländische Patentschrift 133 649 (offengelegt im Januar 1969) bekannt. Bei ihm ist der innere Kühlraum völlig abgeschlossen und teilweise mit einem metallichen oder nichtmetallischen wärmeleitenden Stoff von einem vorgegebenen Schmelzpunkt gefüllt. Unterhalb dieses Schmelzpunktes, d. h. wenn sich der Stoff im starren Zustand am Boden des Kühlraumes befindet, bildet er nur eine geringe Wärmeübertragungsfläche zwischen der Brennraumwand und der Schale, denn der übrige, mit Luft gefüllte Teil des Kühlraumes wirkt isolierend. Hat die Brennraumwand eine vorbestimmte Temperatur erreicht, so wird der metallische oder nichtmetallische Stoff flüssig und füllt durch den sich auf und ab bewegenden Kolben den gesamten Kühlraum aus, wodurch eine große Wärmeübertragungsfiäciie entsteht. Auf diese Weise wird die Brennraumwand beim Starten, im Leerlauf und im unteren Teillastgebiet des Motors, wenn sie ihre Solltemperatur noch nicht erreicht hat, im wesentlichen Teil isoliert und erst nach Überschreiten der günstigen Brennraumtemperatur intensiv gekühlt.Such a piston is already made by the Dutch U.S. Patent 133,649 (published January 1969) is known. With him is the inner cold room completely closed and partially with a metallic or non-metallic thermally conductive material from filled with a predetermined melting point. Below this melting point, i.e. H. if the substance is in the rigid state at the bottom of the cold room, it forms only a small heat transfer surface between the combustion chamber wall and the shell, because the rest of the air-filled part of the cooling chamber has an isolating effect. When the combustion chamber wall has reached a predetermined temperature, the metallic or non-metallic substance liquid and fills the piston moving up and down entire cold room, creating a large heat transfer efficiency arises. In this way, the combustion chamber wall is when starting, idling and in the lower partial load range of the engine when it is theirs Has not yet reached the setpoint temperature, is essentially insulated and only after the intensively cooled at a favorable combustion chamber temperature.
Ais Kühlmittel für das äußere Kühlsystem wird zweckmäßig das Motorschmieröl verwendet, welches einem dauernden Kreislauf unterworfen ist. Es hat die Aufgabe, den die Kolbenringe tragenden Kolben mantel auf einer entschieden niedrigeren Tempera tür, als sie in der Brennraumwand herrschen soll, zu halten und zusätzlich die über den inneren Kühlraum an die Schale abgegebene überschüssige Wärme aus dem Kolhtn abzuführen.The engine lubricating oil is expediently used as the coolant for the external cooling system is subject to a continuous cycle. It has the task of the piston jacket carrying the piston rings at a decidedly lower temperature than should prevail in the combustion chamber wall and also the one on the inside of the refrigerator excess heat given off to the shell to take away from the Kolhtn.
Hrennkraftmaschinen mit der beschriebenen Zwei MüHkühiung h/w. einer solchen Anordnung der kuhlsysteme haben sich insbesondere für die heute üblichen Hochleistungsmotoren sehr gu* bewährt. Da der Kolben selbst ah Guß- oder Preßkörper ausgeführt ist, muß er jedoch im oberen Bereich, wo der aus warmfestem Stahl bestehende Brennraumeinsatz eingeschraubt wird und die entsprechenden Kühlräume vorzusehen sind, vcihältsnismäßig stabil ausgebildet werden, wodurch er gerade für die speziell für ihn bestimmten Motoren zu schwer ist. Ferner wird durch die dicken Wandungen der insbesondere gegossenen Leichtmetallkolben, welche eine gute Wärmeleitung ergeben, der Kolbenringabschnitt teilweise immer noch zu stark aufgeheizt sowie durch Jas große Mantelvoluirr.n des Kolbens ein Teil der an dar, Kühlmittel abzugebenden Wärme gespeichert bzw. an die Zvlinderwand abgegeben. Durch diese Wärmespeicherung können bei höherer thermischer Belastung des Kolbens 'eicht Rißbildungen oder andere Schaden, beispielsweise ein Festsetzen der Kolbenringe, auftreten.Hrennkraftmaschinen with the two described Effort h / w. such an arrangement of Cooling systems have become particularly popular today usual high-performance motors very well proven. Since the piston itself is executed as a cast or pressed body However, it must be in the upper area, where the heat-resistant steel combustion chamber insert is screwed in and the corresponding cooling spaces are to be provided, designed to be relatively stable which makes it too heavy for the engines specifically designed for it. Further is due to the thick walls of the especially cast light metal piston, which is a good Resulting heat conduction, the piston ring section is still partly heated too much and through Jas large jacket voluirr.n of the piston a part of the heat to be given off by the coolant is stored or handed over to the Zvlinder wall. This heat storage allows for higher thermal Load on the piston easily cracks or other damage, e.g. seizing of the piston rings, appear.
Was die Verringerung des Gewichts und den Wärmeübergang vom Brennraum zur Kolbenringpartie bzw. Zylinderraum anbetrifft, so ist es beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 472 633 bereits bekannt, einen Kolben aus mehreren Einzelteilen, die mit dünneren Wandstärken und mit Hohlräumen versehen werden können, zusammenzubauen. Der Kolben nach der genannten Patentschrift besteht aus einem innen hohlen, den Kolbenboden, einen Teü der Brennraumwand und einen Teil der Kolbenringpartie bildenden Ringteil, welches durch Schrauben mit dem Kolbenmantel verbunden ist. Der untere Teil der Brennraumwand wird durch zwei ineinandergesteckte, zwischen dem Mantel und dem Ringteil eingeklemmte Schalenkörper gebildet. Die Ausführung bringt zwar einen leichteren Kolben, der jedoch nicht für Hochleistungsmotoren geeignet ist, weil er keine Kühlung, sondern nur Isolierräume für den Brennraum, den Kolbenboden und die RingpartieWhat about the reduction in weight and the transfer of heat from the combustion chamber to the piston ring area or cylinder space is concerned, it is already known, for example from German patent specification 472 633, a piston made of several individual parts, which have thinner walls and cavities can be provided to assemble. The piston according to the patent mentioned consists of one hollow inside, the piston crown, part of the combustion chamber wall and part of the piston ring area forming ring part, which is connected to the piston skirt by screws. The lower Part of the combustion chamber wall is made up of two nested between the jacket and the ring part trapped shell body formed. The design brings a lighter piston, but it does is not suitable for high-performance engines because there is no cooling, only isolation rooms for the Combustion chamber, the piston crown and the ring belt
aufweist. Dies hat zur Folge, daß die Wärme um so stärker über den KoJbenkörper und die Kolbenringe an die Zylinderwand abgeleitet wird. Von einer Temperaturregelung kann nicht die Rede sein.having. This has the consequence that the heat is all the more intense over the piston body and the piston rings is derived from the cylinder wall. There can be no talk of temperature control.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen leichten Kolben der eingangs beschriebenen Art, d. h. mit einem &= ^eiligen Brennverfahren angepaßten Brennraum und zwei verschiedenen, voneinander unabhängigen Kühisystemen zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden, wobei besonderer Wert auf eine hohe thermische Beanspruchbarkeit und eine gute Wärmeabgabe an das Kühlmit-'Xh^Erfindung wird aie Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brennraumeinsatz in an sich bekannter Weise durch eine Schweißnaht fest mit dem Ringträger verbunden ist und daß das aus dem Brennraumeinsatz, dem Ringträger und der Schale bestehende KoI-benoberteil mit einem den Kolbenbolzen aufnehmenden, starr angesetzten Gleitschuhe tragenden Kolben- ao unterteil in axialer und radialer Richtung durch eine Zentrierung genau zusa«.imenfügbar und durch eine Schweißnaht fest verbunden ist.The object of the present invention is to provide a lightweight piston of the type described in the opening paragraph, i. H. adapted with a & = ^ rapid combustion process To create combustion chamber and two different, independent cooling systems, in which the mentioned disadvantages are avoided, with particular emphasis on a high thermal resistance and good heat dissipation to the cooling device Aie object is achieved in that the combustion chamber insert is known per se Way is firmly connected to the ring carrier by a weld and that the from the combustion chamber insert, the ring carrier and the shell with a piston top part that accommodates the piston pin, rigidly attached sliding shoes bearing piston ao Lower part can be precisely joined together in the axial and radial direction by means of a centering and by means of a Weld is firmly connected.
Die Zentrierung besteht dabei aus einem am Boden des Brennraumeinsatzes vorgesehenen, in seiner *5
Höhe begrenzten Zentrieransatz und einer am KoI-benunterteil angeordneten, in den Zentriereinsatz
eingepaßten Zentriernabe.
ZThe centering consists of a provided at the bottom of the combustion chamber insert, in its 5 * height limited spigot and benunterteil koi arranged on a, fitted in the centering centering hub.
Z
ine%Lagfr ,usammenResetzten Ko' aus Einzelteilen zusammengesetzten κ ine % Lag fr, composite Ko 'composed of individual parts κ
ständig mit einem zwischen dem Ringt rä-constantly with a betwee n the ring t RAE
werfen. ^"ijl,neeo dneten und mit diesen Teiger und der Scha * ^ecr ßegrenzungskör- throw . ^ "ijl, nee o dneten and with these dough and the Scha * ^ ecr ßbegrenzungskör-
len durch S f c~en ^r renzu skörper sind eniper gebildet tod. im «eg κ £* ^ ^ len by S f c ~ en ^ r to bodies are formed eniper death. im «eg κ £ * ^ ^
sprechende Öffnungen od er υ ig KühlmitteIe*- und -^«^g«i aus der nachfol-Speaking openings or υ ig Coolant * - and - ^ «^ g« i from the following
Einzelheiten eier t"1"" β β zeichnungen dagenden B^^^^SS » gestelltenDetails of the " 1 ""β β drawings dagenden B ^^^^ SS» provided
Fig. I gemäßen, ^F i g. 2 einen Schnitt durch den Ko.ben längs uFig. I, ^ F i g. 2 a section through the Ko.ben along u
Linie I-I in Fig. 1, Huren den oberen iLine I-I in Fig. 1, whores the top i
F i g. 3 einen Langsscnniu um« hend;F i g. 3 walking around for a long time ;
eines der Ausfuhrung nacn r ig. £ ß one of the execution according to. £ ß
Kolbens, jedoch mit einem geschlossenen lie.Piston, but with a closed lie.
Kühlraum. itCold room. it
In den F.guren s.nC der
der Ringträger mit 2, die den
schließende Schale mit 4, cia.
und die Gleitschuhe mit 6 ^^In the F.guren s.nC der
the ring bearer with 2, which the
closing bowl with 4, cia.
and the sliding shoes with 6 ^^
Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist weist üer au. "umeinsau 1 an seiner dem Brennraum /aoge a ...As can be seen from Fig. 1 has over au. "umeinsau 1 at its the combustion chamber / aoge a ...
ten Oberfläche einen oberen und einen mW« »> ^uf, mit denen d,e ubergeschobene^chale 4 dth surface an upper and a mW « »> ^ Uf, with which d, e pushed ^ chale 4 d
verschweißt ist. Eine hier im Kolbein™en vor^... hene Schweißnaht 10 verbindet den Brennraum.is welded. A here in Kolbei n ™ s ago ^ ... hene weld 10 connects the combustion chamber.
1515th
alsas
gpgp
in diesem Zusammenhang wird noch auf die fran- hene Schin this context the early Sch
zösische Patentschrift 838215 hingewiesen, nach der 30 satz 1 mit dem Ringträger* κρί;ηΗΡτ ,,French patent 838215 pointed out, after the 30th sentence 1 with the ring carrier * κ ρί ; η Η Ρ τ ,,
ein ölgekühlter, gleichzeitig den Kolbenboden bilden- Am Boden des Brennraume.nsatzesL be findet sian oil-cooled, which at the same time forms the piston crown
der Ringträger mittels Schrauben an einem Kolben- ^l™™^" the ring carrier by means of screws on a piston ^ l ™haben ^ "
unterteil an dem auch Gleitschuhe angebracht sind, befestigt ist. Ringträger und Kolbenunterteil sind durch eine in axialer und radialer Richtung wirkende Zentrierung zueinander festgelegt. Dadurch, daß die Zentrierung bereits einen verhältnismäß.g großen Durchmesser aufweist und außerhalb desselben erst die Befestigungsschrauben angeordnet sind, entsteht zwischen dem Ringträger und dem Unterteil eineis attached to the lower part to which sliding shoes are also attached. Ring carrier and piston lower part are fixed to one another by a centering acting in the axial and radial directions. Because the Centering already has a relatively large diameter and only outside of it the fastening screws are arranged, is created between the ring carrier and the lower part
große Wärmeübergangifläche, wodurch die Gleit-large heat transfer surface, whereby the sliding
fchuhe und der Kolbenbolzen unnötig aufgeheizt werden. Abgesehen davon ist der Kolben für schnell-shoes and the piston pin unnecessarily heated will. Apart from that, the piston is for quick-
laufende Motoren völlig ungeeignet, er weist keinen g .running engines completely unsuitable, he has no g.
Brennraum und keine zwei Kühlsysteme auf und er 45 stellt werden kann, weist zwei JrCombustion chamber and no two cooling systems and he can be set to 45, has two Jr
stellt eine ^ewichtsmäßig schwere Konstruktion dar, versehene Bohrungen 15 zur Aufnahmerepresents a heavy construction in terms of weight, provided bores 15 for receiving
so daß er in keiner Weise der hier gestellten Aufgabe eerechtwirdso that he in no way does justice to the task set here
8 Um bei der vorliegenden Erfindung möglichst große Wärmeübergangsflächen zum Kühlmittel zu 8 In order to achieve the largest possible heat transfer surfaces to the coolant in the present invention
Schaffen und das Kolbengewicht so weit wie möglich zu reduzieren wird als Weiterbildung vorgeschlagen, an der Außenwand des Brennraumeinsatzes zur obe-Create and reduce the piston weight as much as possible to reduce it is proposed as a further development, on the outer wall of the combustion chamber insert to the top
ren und unteren Begrenz-mg des inneren Kühlraumes die Gleitschuhe 6 am j ^ren and lower limit mg of the inner cooling space the sliding shoes 6 on the j ^
jeweils einen Bund vorzusehen, mit denen die Schale 55 au den Dehn-Stiftschrauben 16 Zentnerbund 18 z„to provide a collar in each case, with which the shell 55 on the expansion studs 16 centner collar 18 z "
dicht verschweißt ist. einwandfreien Festlegung der Gleitschuhe 6 angcis tightly welded. proper definition of the sliding blocks 6 angc
Ferner wird, um Gewicht und Herstellungskosten bracht. . . „ ,. «λ Pi ο 1 einen anIt also adds weight and manufacturing costs. . . ",. «Λ Pi ο 1 an
zu sparen, noch vorgeschlagen, das Kolbenunterteil In F1 g 3 weist der Kolben nach Figl einen anto save, still proposed, the piston lower part In F 1 g 3, the piston according to Figl has one
als U-förmigen, in seinen Schenkeln mit Bohrungen Afh d Klbbl henen Bügelas a U-shaped bracket with holes in its thighs
ein in seiner Höhe bemessener
den eine am Kolbenunterteü 5 v nabe 12 eingepaßt ist. Durch die Zentrierung
aus. dem Brennraumeinsatz 1, dem King^"·->-der
Schale4 bestehende Ko.oenoberte^ sowoh. ,
axialer als auch in radialer Richtung zum tcrteilS festgelegt und durch eine Sch ;; one measured in height
the one on the piston part 5 v hub 12 is fitted. By centering out. the combustion chamber insert 1, the King ^ "· -> - the shell4 existing Ko.oenoberte ^ both., axially as well as in the radial direction to the door part and fixed by a Sch ;;
fest mit diesem verbunden In der rig..1 ; firmly connected to this In the rig..1 ;
Bund9 auf der Außenseite
vorgesehen, er kann jedoch
ausgebildet sein. Da, ™
welches beispielsweise durch
gen eines ursprünglich "ache.n
d k t zweiBund9 on the outside
provided, but he can
be trained. There, ™
which for example by
gen one originally " ache . n thinks two
dargestellten Kolbenbolzens auf. An Jen beidu. Längsseiten der Bohrungen 15 sind einander gegen-piston pin shown. To Jen both you. Long sides of the bores 15 are opposite to one another
überliegend die beiden Gleitschuhe 6 am Kolbenun-overlying the two sliding shoes 6 on the piston
terteil 5 befestigt. r.lpitsrhuhepart 5 attached. r.lpitsrhuhe
Aus F i g. 2 ist ersichtlich ^daß die Ge «chuhe durch Dehn-Suftschrauben 16 und Muttern 17 am Kolbenunterteil 5 befestigt sind An den Stellen, wo die Gleitschuhe 6 am Kolbenuntertfjl J an hegensindFrom Fig. 2 it can be seen that the shoes are fastened to the piston lower part 5 by expansion screws 16 and nuts 17 at the points where the sliding shoes 6 are attached to the piston lower part J
16 Zbd 1 16 Zbd 1
In F1 g. 3 weist der Kolben nach FigIn F 1 g. 3, the piston according to Fig
g, sich geschlossenen äußeren Kuhlrauro,19'auf derg, closed outer Kuhlrauro, 19 'on the
zur Aufnahme des Kolbenbolzens versehenen Bügel 60 durch einen an der Innenwand ^s lüngtrage« 2 und auszubilden. Ein solcher Bügel kann in einfacher an der Außenwand der Schale4 <toh angeschwuß-Weise au. einem Flachmaterial hergestellt werden ten, mit öffnungen 20 fur den Kuhlm.ttele.n-_ und und stellt kein teures Gußstück dar. Auch kann er -austritt versehenen^ Begrenzungskorpe 21 gebildet gut vom Motorschmieröl umspült werden. wird. Diese Ausfuhrung .st, wie ^«ite ewahntto accommodate the piston pin provided bracket 60 by a on the inner wall ^ s lüngtrage «2 and to train. Such a bracket can toh au geschwuß of-way in a simple on the outside wall of Schale4 <. a flat material, with openings 20 for the Kuhlm.ttele.n-_ and and does not represent an expensive casting. will. This execution is, as suggested
Schließlich wäre noch zu emähnen, daß der erfin- 65 hauptsächlich fur Kolben größeren .Durchmesse sFinally, it should be mentioned that the invention was mainly used for pistons with larger diameters
bl oder von hoch be ästeten Motoren gedac!J. wen" *ebl or gedac from highly planted engines! J. who "* e
durch das Spntzol abgeführte Warme keine ausreichende Kühlung mehr bewirkt.The heat dissipated by the Spntzol is not sufficient Cooling does more.
dungsgemäße Kolben für besonders hoch belastete Motoren oder bei dimensionsmäßig großen Ausführungen zur Erhöhung der äußeren Kühlung selbstver-Appropriate pistons for particularly heavily loaded engines or for large designs to increase the external cooling
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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