DE2513324A1 - LIGHT ALLOY PISTON FOR FOUR-STROKE COMBUSTION MACHINERY - Google Patents

LIGHT ALLOY PISTON FOR FOUR-STROKE COMBUSTION MACHINERY

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DE2513324A1 DE19752513324 DE2513324A DE2513324A1 DE 2513324 A1 DE2513324 A1 DE 2513324A1 DE 19752513324 DE19752513324 DE 19752513324 DE 2513324 A DE2513324 A DE 2513324A DE 2513324 A1 DE2513324 A1 DE 2513324A1
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Description

Karl Schmidt GmbH Frankfurt a.M., den 25. März 1975Karl Schmidt GmbH Frankfurt a.M., March 25, 1975

Dr.Q/BPyDr.Q / BPy

7107 Neckarsulm7107 Neckarsulm

Christian-Schmidt-Str. 8/12Christian-Schmidt-Str. 8/12

Prov. Nr. 76 46 KSProv. No. 76 46 KS

Leichtmetallkolben für Viertakt-BrennkraftmaschinenLight alloy pistons for four-stroke internal combustion engines

Gegenstand der Erfindung ist ein Leichtmetallkolben für Viertakt-Brennkraftmaschinen mit zwei im Ringfeld angebrachten Kolbenringnuten/ von denen die kolbenbodenseitige Nute mit einem Verdichtungsring und die kolbenschaftseitige Nute mit einem ölabstreifring bestückt sind.The invention relates to a light metal piston for four-stroke internal combustion engines with two piston ring grooves in the ring field / of which the groove on the piston crown side is included a compression ring and the groove on the piston skirt side are equipped with an oil control ring.

Kolben für Brennkraftmaschinen müssen eine Vielzahl unterschiedlicher und teilweise widersprüchlicher Aufgaben und Anforderungen erfüllen. Neben den beiden Hauptaufgaben des Kolbens, der Kraftübertragung und der Gradführung muß der Kolben an allen in Frage kommenden Stellen inklusiv der Kolbenringe freßsicher, der Verschleiß minimal, die Reibleistung gering und die Abdichtung gegenüber öl und Verbrennungsgasen einwandfrei sein. Dabei kommt der aus dem Kolben und den Kolbenringen gebildeten Funktionseinheit eine ganz besondere Bedeutung zu, insbesondere wenn man die Tendenz berücksichtigt, daß aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus die Kolbenlängen immer; kleiner werden, um einmal diePistons for internal combustion engines have to fulfill a large number of different and sometimes contradicting tasks and requirements. In addition to the two main tasks of the piston, power transmission and straight-line guidance, the piston must be seizure-proof at all points in question, including the piston rings, wear minimal, frictional loss low and the seal against oil and combustion gases flawless. The functional unit formed from the piston and the piston rings is particularly important, especially when one takes into account the tendency that, for economic reasons, the piston lengths are always ; get smaller to once the

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Gesamtkosten für den Kolben und zum anderen aber auch über die Gesamtbauhöhe der Brennkraftmaschine die Kosten der Brennkraftmaschine beeinflussen zu können. Im Laufe der letzten 20 bis 40 Jahre der Entwicklung der Brennkraftmaschinen konnten bei reduzierter Kolbenhöhe/ geringerem Kolbengewicht und niedrigeren Kosten eine Leistungssteigerung durch Drehzahlsteigerung und eine Laufleistungserhöhung bei niedrigerem Ölverbrauch und geringerem Kraftstoffverbrauch erzielt werden.Total costs for the piston and, on the other hand, also the costs of the overall height of the internal combustion engine To influence internal combustion engine. Over the last 20 to 40 years of the development of internal combustion engines were able to achieve an increase in performance with a reduced piston height / lower piston weight and lower costs Increased speed and an increase in mileage achieved with lower oil consumption and lower fuel consumption will.

Da die Brennkraftmaschine mit Sicherheit noch nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen ist, kann aus der bisherigen Entwicklung abgeleitet werden, welche Forderungen an Kolben und Kolbenringe gestellt werden. Eine eindeutige Tendenz geht dahin, das Kolbengewicht weiter herabzusetzen, um zu geringeren Lagerbelastungen, kleineren Gegengewichtsradien und geringeren Massenkräften zu kommen, wobei aber die volle Funktionsfähigkeit des Kolbens nicht beeinträchtigt werden darf.Since the internal combustion engine has certainly not yet reached the end of its development, the previous Development can be derived from the demands made on pistons and piston rings. A clear trend aims to further reduce the piston weight in order to lower bearing loads and smaller counterweight radii and lower inertia forces, but the full functionality of the piston is not impaired allowed.

Voraussetzung dafür sind eine geringe Durchbläsmenge, kleine Kolbenspiele, eine ausreichende Schmierölversorgung der Gleitteile bei geringem Ölverbrauch und eine Konstruktion, die auftretende thermische und mechanische Beanspruchungen erträgt.The prerequisite for this is a small amount of air blown through Piston clearances, a sufficient supply of lubricating oil to the sliding parts with low oil consumption and a design which endures the thermal and mechanical stresses that occur.

Eine Möglichkeit der Herabsetzung des Kolbengewichts besteht darin, die Bauhöhe des Kolbens durch Verkürzung der Ringfeldlänge zu verringern. Die Ringfeldlänge ist abhängig von der erforderlichen Kolbenringzahl für gute Gasabdichtung, günstige ölverbrauchswerte und gute Ölversorgung der Ringlaufflächen. Es werden zwar noch zahlreiche Kolben mit vier und mehr Ringen bestückt, doch hat sich mehr und mehr die Erkenntnis durchgesetzt, daß die Funktionsanforderungen mitOne way of reducing the piston weight is to increase the overall height of the piston by shortening the length of the ring field to reduce. The length of the ring field depends on the number of piston rings required for a good gas seal, favorable oil consumption values and good oil supply to the ring running surfaces. Numerous pistons are still being equipped with four or more rings, but more and more knowledge has emerged enforced that the functional requirements with

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drei Kolbenringen - zwei Verdichtungsringe und einem Ölab— streifring - sicher erfüllt werden können. Es hat darüber hinaus nicht an Versuchen gefehlt, mit zwei Kolbenringen einem Verdichtungsring- und einem ölabstreifring - auszukommen, da dies nicht nur dem Bestreben nach kleinerer Bauhöhe entgegenkommt, sondern auch zu einer entscheidenden Verringerung der Reibverluste beiträgt. Doch haben alle bisherigen Untersuchungen hinsichtlich Ölverbrauch und Gasabdichtung sowie der Ölversorgung der Ringlaufflächen nicht voll befriedigen können.three piston rings - two compression rings and an oil drain streifring - can be safely met. It's got about it In addition, there have been no lack of attempts to get by with two piston rings, one compression ring and one oil control ring, since this not only complies with the desire for a smaller overall height, but also leads to a decisive reduction which contributes frictional losses. However, all previous investigations have regarding oil consumption and gas sealing as well the oil supply to the ring running surfaces cannot fully satisfy.

Es wurde nun gefunden, daß man hinsichtlich Gasdurchlaß, Ölverbrauch und Ölversorgung der Ringlaufflächen bei einem Leichtmetallkolben mit nur zwei Kolbenringen zu einem ebenso guten Ergebnis wie bei einem Leichtmetallkolben mit drei und mehr Kolbenringen gelangen kann, wenn erfindungsgemäß die kolbenschaftseitige Außenkante des Verdichtungsringes scharfkantig, die kolbenbodenseitige Außenkante des Verdichtungs— ringes leicht gerundet oder gefast, die Stirnseite des Ver— dichtungsringes zylindrisch oder ballig und die kolbenschaftseitige Außenkante des öl abs tieLf ringes scharfkantig ausgebildet sind, wobei die Höhe des zwischen den beiden jeweils den Verdichtungsring und den ölabstreifring aufnehmenden Kolbenringnuten befindlichen Steges 4 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm beträgt.It has now been found that with regard to gas passage, oil consumption and oil supply to the ring running surfaces in one Light alloy pistons with only two piston rings produce just as good a result as a light alloy piston with three and more piston rings can get if, according to the invention, the outer edge of the compression ring on the piston skirt side is sharp-edged, the outer edge of the compression on the piston bottom side ring slightly rounded or chamfered, the face of the compression ring cylindrical or convex and the piston skirt side The outer edge of the oil abs deep ring is sharp-edged are, the height of the between the two each receiving the compression ring and the oil control ring Piston ring grooves located web is 4 to 10 mm, preferably 6 to 8 mm.

Da der Verdichtungsring neben der Aufgabe, die Brenngase gegen den Kurbelraum abzudichten, die letzten, entscheidenden für den Ölverbrauch kritischen Anteile der gesamten öl— abstreifung bewirken muß, besitzt die kolbenschaftseitige Außenkante des Verdichtungsringes einen Winkel von 75 bis 100 , wobei die kolbenbodenseitige Außenkante eine Verrundung von 0,05 bis 0,3 R oder eine Fase von 0,1 bis 0,3 χ aufweist. Die Balligkeit der Stirnseite des KolbenringesSince the compression ring, in addition to the task of sealing the combustion gases against the crankcase, is the last, decisive one for the oil consumption critical proportions of the total oil— must cause wiping, has the piston skirt side The outer edge of the compression ring forms an angle of 75 to 100, the outer edge on the piston bottom side being rounded of 0.05 to 0.3 R or a chamfer of 0.1 to 0.3 χ. The crowning of the face of the piston ring

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beträgt maximal 8 ,um, um zu gewährleisten, daß der Einlaufwinkel der Gase an der Kolbenkopfseite des Verdichtungsringes = 40° ist, weil sonst der Gasdurchlaß zu hoch wird. Die untere Außenkante des Ölabstreifringes weist einen Winkel von = 100° auf.is a maximum of 8 to ensure that the inlet angle of the gases on the piston head side of the compression ring = 40 °, otherwise the gas flow rate will be too high. the The lower outer edge of the oil control ring has an angle of = 100 °.

Die axiale· Höhe des Verdichtungsringes soll einerseits so niedrig wie möglich, andererseits aber hinsichtlich der Bruchfestigkeit bzw. der Fertigungstechnik so groß wie nötig sein. Im Bereich gebräuchlicher Kolbendurchmesser ergibt sich eine axiale Höhe von 1,5 bis 2 mm.The axial height of the compression ring should on the one hand be as low as possible, but on the other hand with regard to the Breaking strength or manufacturing technology must be as great as necessary. In the range of common piston diameters results in an axial height of 1.5 to 2 mm.

Die Stirnseite des Verdichtungsringes kann mit einer Chromschicht, einer Molybdänschicht oder einer anderen geeigneten Bewehrungsschicht versehen^sein, um einen möglichst geringen Verschleiß zu gewährleisten.The face of the compression ring can be coated with a chrome layer, a layer of molybdenum or another suitable reinforcement layer to minimize the risk of damage Ensure wear and tear.

Die Topseite des Verdichtungsringes ist an der Innenkante nach DIN 70 909 in Innenfasen (IF)- oder Innenwinkel (IW)-Ausführung ausgebildet, wodurch sich der Verdichtungsring im eingebauten Zustand verdreht, die untere Laufflächenkante gegen die Zylinderlaufbahn drückt und so die Ölabstreifung im unbelasteten Bereich unterstützt. Die Werkstoffqualität des Verdichtungsringes soll aus Sicherheitsgründen, insbesondere ein Gußeisen mit Kugelgraphit, gemäß DIN 70 909 sein, da bei einem Kolben mit zwei Kolbenringen der kolbenbodenseitige Ring durch die größere Druckdifferenz stärker beansprucht wird. Die radiale Wanddicke entspricht DIN 70 909/910.The top of the compression ring is on the inside edge according to DIN 70 909 in internal chamfer (IF) - or internal angle (IW) design, whereby the compression ring Twisted when installed, the lower running surface edge presses against the cylinder liner and thus the oil scraper in the unloaded area supported. The material quality of the compression ring should, for safety reasons, in particular be a cast iron with spheroidal graphite, according to DIN 70 909, since the piston crown side of a piston with two piston rings Ring more stressed due to the greater pressure difference will. The radial wall thickness corresponds to DIN 70 909/910.

Die Höhe des zwischen den Kolbenringnuten befindlichen Steges darf nicht zu klein sein, da ein gewisser Ausgleichsraum zwischen den zwei Kolbenringen vorhanden sein muß. Die Dichtwirkung des Verdichtungsringes ist eine Funktion der Druck-The height of the web located between the piston ring grooves must not be too small, as there is a certain compensation space must be present between the two piston rings. The sealing effect of the compression ring is a function of the pressure

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differenz zwischen dem Verbrennungsraum und diesem Ausgleichsraum. Zu hohe Stege ergeben zu hohe Ölplegel, die zwar die Abdichtwirkung des Verdichtungsringes gegen Gasdurchlaß unterstützen, aber hohen Ölverbrauch infolge des höheren Öldruckes im Bereich des oberen. Todpunktes des Kolbens ergeben.difference between the combustion chamber and this compensation chamber. Too high webs result in too high oil level, although the Sealing effect of the compression ring against the passage of gas support, but high oil consumption due to the higher oil pressure in the area of the upper. Piston dead center.

Der zwischen den Kolbenringennuten, befindliche Steg ist mit in den Spielverlauf einzuziehen und nicht zurückzusetzen. Dabei sind die Nutenkanten scharf zu gestalten, um den Gasdurchlaß so klein wie möglich zu halten.The land between the piston ring grooves is with move into the course of the game and not reset. The groove edges are to be made sharp in order to allow gas to pass through as small as possible.

Der ölabstreifring muß ein Ring mit hoher Abstreifwirkung sein, da im Gegensatz zu einem Kolben mit drei Ringen der übliche Nasenring entfällt. Aus diesem Grunde muß die untere Außenkante des öl ab stiä. fringes scharfkantig, vorzugsweise mit einem Winkel = 100 ausgebildet sein. Als besonders geeignet hat sich ein Gleichphasen-Schlauchfederring erwiesen, der eine sehr gute Wirkung hinsichtlich der Ölrückführung aufweist, so daß kein Öl vom Inneren des Kolbens in die Ringnute gelangen kann. In Anbetracht der Lebensdauerforderung ist es angebracht, wenn der Ölabstreifring auf seiner Stirnseite vorzugsweise durch eine Chromschicht bewehrt ist.The oil control ring must be a ring with a high wiping effect because, in contrast to a piston with three rings, the usual nose ring is not required. For this reason the lower Outer edge of the oil from stiä. fringes sharp-edged, preferably be formed with an angle = 100. As particularly suitable An in-phase hose spring washer has proven to be very effective in terms of oil return has so that no oil can get into the annular groove from the interior of the piston. In consideration of the service life requirement it is appropriate if the oil control ring is reinforced on its front side, preferably with a chrome layer.

Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung sollte die den Verdichtungsring aufnehmende Kolbenringnute wenigstens an der dem Kolbenboden zugewandten Flanke durch einen Werkstoff hoher Schlagfestigkeit z.B. Stahl, Gußeisen oder dergl. bewehrt sein. Infolge der höheren Druckdifferenzen auf den Ringflanken ergibt sich zwangsläufig ein stärkeres Ausschlagen der Verdichtungsringnute. Das Bewehrungsteil muß so im Aluminium verankert sein, daß kein Losschlagen möglich ist, d.h. es muß eine geringe Masse besitzen aber eine genügend radiale Erstreckung, so daß ein AusschlagenIn the context of the special embodiment of the invention, the piston ring groove receiving the compression ring should at least on the flank facing the piston crown by a material with high impact resistance, e.g. steel, cast iron or be reinforced. As a result of the higher pressure differences On the ring flanks there is inevitably a stronger deflection of the compression ring groove. The reinforcement part must be anchored in the aluminum in such a way that it cannot knock loose, i.e. it must have a low mass a sufficient radial extension so that deflection

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durch den Anlagewechsel des Verdichtungeringes nicht möglich ist.not possible due to the system change of the compression ring is.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.The invention is shown by way of example in the drawing and is explained in more detail below.

Der im Ausschnitt durch einen Längsschnitt dargestellte, aus einer Leichtmetalllegierung des Typs AlSi 12 CuNiMg bestehende Kolben 1 zeigt im Ringfeld zwei Kolbenringnuten 2, 3, wobei in der kolbenbodenseitigen Ringnute ein Verdichtungsring 4 und in der kolbenschaftseitigen Ringnute ein Ölabstreifring 5 angeordnet sind. Die kolbenbodenseitige Flanke der Kolbenringnute 1 ist mit einer Bewehrung 6 aus Stahl versehen.The one shown in the detail by a longitudinal section, consisting of a light metal alloy of the type AlSi 12 CuNiMg Piston 1 shows two piston ring grooves 2, 3 in the ring field, a compression ring 4 in the ring groove on the piston bottom side and an oil control ring in the ring groove on the piston skirt side 5 are arranged. The flank of the piston ring groove 1 on the piston crown side is reinforced with steel 6 Mistake.

*- ν —* - ν -

PatentansprücheClaims

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ORiGfMAL li-sfSPECTEDORiGfMAL li-sfSPECTED

Claims (8)

2b Patentansprüche2b claims 1) Leichtmetallkolben für Viertakt-Brennkraftmaschinen mit zwei im Ringfeld angebrachten Ringnuten, von denen die kolbenbodenseitige Nute mit einem Verdichtungsring und die kolbenschaftseitige Ringnute mit einem ölabstreifring bestückt sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale :1) Light metal pistons for four-stroke internal combustion engines with two ring grooves made in the ring field, of which the groove on the piston bottom side is equipped with a compression ring and the ring groove on the piston skirt side is equipped with an oil control ring, characterized by the combination of the following features: a) die kolbenschaftseitige Außenkante des Verdichtungsringes (4) ist scharfkantig,a) the outer edge of the compression ring on the piston skirt side (4) is sharp-edged, b) die kolbenbodenseitige Außenkante des Verdichtungsringes ist leicht gerundet oder gefast,b) the outer edge of the compression ring on the piston bottom side is slightly rounded or chamfered, c) die Stirnseite des Verdichtungsringes ist zylindrisch oder ballig,c) the face of the compression ring is cylindrical or spherical, d) die kolbenschaftseitige Außenkante des ölabstreifringes (5) ist scharfkantig,d) the outer edge of the oil control ring on the piston skirt (5) is sharp-edged, e) die Höhe des zwischen den beiden Kolbenringnuten befindlichen Steges beträgt 4 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm.e) the height of the web located between the two piston ring grooves is 4 to 10 mm, preferably 6 to 8 mm. 2) Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenschaftseitige Außenkante des Verdichtungsringes (4) einen Winkel von 75 bis 100°, die kolbenbodenseitige Außenkante des Verdichtungsringes eine Verrundung von 0,05 bis 0,3 R oder eine Fase von 0,1 bis 0,3 χ 45°, die Stirnseite des Verdichtungsringes eine Balligkeit von maximal 8 ,um und die untere Außenkante des ölabstreifringes2) light metal piston according to claim 1, characterized in that the piston skirt-side outer edge of the compression ring (4) has an angle of 75 to 100 °, the piston bottom-side outer edge of the compression ring a rounding of 0.05 to 0.3 R or a chamfer of 0.1 up to 0.3 χ 45 °, the face of the compression ring has a crown of a maximum of 8 μm and the lower outer edge of the oil control ring (5) einen Winkel von = 100° aufweisen.(5) have an angle of = 100 °. 3) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe des Verdichtungsringes (4) 1,5 bis 2 mm beträgt.3) light metal piston according to claims 1 and 2, characterized in that the axial height of the compression ring (4) is 1.5 to 2 mm. Β098Λ1/0500Β098Λ1 / 0500 4) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Verdichtungsringes4) light metal piston according to claims 1 to 3, characterized in that the end face of the compression ring (4) vorzugsweise mit einer Chromschicht/ Molybdänschicht oder dergleichen Schichten bewehrt ist.(4) preferably with a chrome / molybdenum layer or similar layers is reinforced. 5) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Stirnfläche des ölabstreifringes5) light metal piston according to claims 1 to 4, characterized / that the end face of the oil control ring (5) vorzugsweise mit einer Chromschicht oder ähnlichen Schichten bewehrt ist.(5) is preferably reinforced with a chrome layer or similar layers. 6) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 5/ dadurch gekenn ze i chne t, daß als ölabstreifring (5) ein Gleichphasen-Schlauchfederring verwendet ist.6) light metal piston according to claims 1 to 5 / characterized ze i chne t that an in-phase hose spring washer is used as the oil control ring (5). 7) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die kolbenbodenseitige Flanke der den Verdichtungsring (4) aufnehmenden Kolbenringnute (2) mit einem Material hoher Schlagfestigkeit z.B. Stahl, Gußeisen oder dergl. bewehrt ist.7) Light metal piston according to claims 1 to 6, characterized in that at least the piston bottom flank of the piston ring groove (2) receiving the compression ring (4) is reinforced with a material of high impact resistance such as steel, cast iron or the like. 8) Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Ringnuten (2, 3) scharf ausgebildet sind.8) light metal piston according to claims 1 to 7, characterized in that the edges of the annular grooves (2, 3) are sharp. 609841/0500609841/0500
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