DE3709969A1 - PISTON WITH LIQUID COOLING - Google Patents

PISTON WITH LIQUID COOLING

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piston Liquid cooling for internal combustion engines after Preamble of claim 1.

Für hohe und höchste Belastung ist ein Einsatz solch zweiteiliger aus Unter- und Oberteil bestehender Kolben unumgänglich, die in verschiedenen Werkstoffkombinationen herstellbar sind. Als Werkstoff für das Oberteil bietet sich gegossener oder geschmiedeter Stahl an, ebenso Sphäroguß mit seinen dem Stahl ähnlichen Festigkeitswerten. Das Unterteil kann aus einer gegossenen oder geschmiedeten Aluminium-Kolbenlegierung oder auch aus Grauguß bestehen. Beide Teile sind vorzugsweise über Dehnschrauben miteinander verspannt. Diese Kolben verlangen in aller Regel eine Kühlung, vorzugsweise mittels eines Kühlöls. Bei solchen zweiteiligen Kolben sind in nachteiliger Weise zwischen dem Kolbenober- und -unterteil an den Auflageflächen der Abstützbunde Verschleißerscheinungen zu beobachten, die insbesondere im Außenbereich der Auflageflächen und um die Dehnschrauben herum auftreten. Dieser Verschleiß wird durch radiale und axiale Bewegungen der in der Verbindungsebene gegeneinander liegenden Auflageflächen der beiden Kolbenbauteile verursacht. Diese Bewegungen, die durch den durch die Deformation des Kolbenoberteils infolge Temperatur und Gasdruck bewirkten Krempeleffekt hervorgerufen werden, erzeugen nicht nur einen Verschleiß, sondern beinhalten auch die Gefahr einer Deformation des Kolbenunterteils mit nachfolgender Rißbildung und Materialabscheuerung in sich. Zur Vermeidung dieser Nachteile sind bereits unterschiedliche Lösungen, z.B. durch die DE-PS 27 58 378 und die EP-PS 7 661, vorgesehen.Use for high and highest loads is such two-part piston consisting of lower and upper part unavoidable in different material combinations are producible. As a material for the upper part offers cast or forged steel, as well Ductile iron with its steel-like appearance Strength values. The lower part can be cast from a or forged aluminum piston alloy or also made of Gray cast iron exist. Both parts are preferably over Expansion screws clamped together. These pistons usually require cooling, preferably by means of a cooling oil. With such two-part pistons are disadvantageously between the piston top and -bottom part on the support surfaces of the support collars Signs of wear can be observed, especially in Outside of the contact surfaces and around the expansion screws occur around. This wear is caused by radial and axial movements in the connection plane opposing contact surfaces of the two Piston components caused. These movements caused by the due to the deformation of the upper piston part Temperature and gas pressure caused the carding effect not only cause wear, but also involve the risk of deformation of the Lower piston part with subsequent crack formation and Material abrasion in itself. To avoid this Disadvantages are already different solutions, e.g. by DE-PS 27 58 378 and EP-PS 7 661 provided.

Für den Kolbenhersteller besteht die Aufgabe, den aus Ober- und Unterteil bestehenden Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dieser der modernen Brennkraftmaschinentechnik angepaßt ist, wobei insbesondere eine Senkung des Gewichts und eine Verkleinerung der Bauhöhe der Bauteile anzustreben ist. Eine Gewichtsreduzierung darf dabei allerdings nicht zu Lasten der Betriebssicherheit und Lebensdauer gehen.The task for the piston manufacturer consists of Upper and lower part existing piston after the Preamble of claim 1 to be designed so that this is adapted to modern internal combustion engine technology, in particular a reduction in weight and a The construction height of the components should be reduced. However, weight reduction should not be allowed Operational safety and service life are burdensome.

Gelöst ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale.This task is solved by the in the characterizing part of claim 1 listed features.

Vorzugsweise Ausgestaltungsformen und Anordnungen der im Oberteil des Kolbens nach Anspruch 1 angeordneten Sacklochbohrungen sind im Hinblick auf eine optimierte Kühlwirkung in den Unteransprüchen 2 bis 4 wiedergegeben.Preferably embodiments and arrangements of the in Upper part of the piston arranged according to claim 1 Blind holes are optimized with regard to Cooling effect reproduced in subclaims 2 to 4.

Um die an exponierten Stellen des Kolbenoberteils unter Temperatureinfluß entstehenden Spannungen und damit die Deformation so klein wie möglich zu halten, ist nach einem besonderen Merkmal des erfindungsgemäß gestalteten Kolbens der Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 35 bis 55°, vorzugsweise 45°, zur Trennungsebene nach außen ansteigend geneigte Innenfläche des Abstützbundes (9) des Oberteils (5) mit einem Radius von 30 bis 60 mm verrundet.In order to keep the stresses that arise at exposed points of the upper piston part under the influence of temperature and thus the deformation as small as possible, the transition region between the inner surface of the piston crown and that at an angle of 35 to 55 °, is preferred according to a special feature of the piston designed according to the invention 45 °, the inner surface of the support collar ( 9 ) of the upper part ( 5 ), which is inclined towards the separation plane and rounded outward, is rounded with a radius of 30 to 60 mm.

In den Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Ausschnitt des erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbens entlang der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung einerseits sowie die Kolbenachse und die Richtung senkrecht zur Bolzenachsrichtung einschließenden Ebenen andererseits in axionometrischer Darstellung wiedergegeben. In the drawings 1 shows a detail of the piston according to the invention embodied in Fig. Along the piston axis and the Bolzenachsrichtung one hand, and the piston axis and the direction perpendicular to the planes Bolzenachsrichtung enclosing the other hand, in axionometrischer representation reproduced.

In Fig. 2 ist eine Hälfte eines Schnitts durch das Oberteil des Kolbens entlang der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung umfassenden Ebene dargestellt.In FIG. 2, one half of a section represented by the upper part of the piston along the piston axis and the plane containing Bolzenachsrichtung.

Der Kolben ist aus einem aus Grauguß bestehenden, den Kolbenbolzen (1) aufnehmenden Unterteil (2) und einem aus Stahl bestehenden, den zentralen Kühlraum (3) begrenzenden und die Ringpartie (4) tragenden Oberteil (5) mit flacher Brennraummulde (6) aufgebaut, die über nicht dargestellte Dehnschrauben miteinander verspannt sind. Das Unterteil (2) ist beidseitig der die Bolzenachsrichtung einschließenden horizontalen Ebene und kolbenfußseitig bis zum unteren Ende sehnenartig gegenüber dem Außenumfang des Unterteils (2) zurückgesetzt und die Naben (7) der Bolzenaugen zur Kolbenachse hin verschoben. Das Unterteil (2) und das Oberteil (5) stützen sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse stehenden auf Abstützbunden (8, 9) angebrachten kreisringförmigen Auflageflächen (10, 11) gegeneinander ab. Die Dehnschrauben sind durch die Abstützbunde (8, 9) und die Auflageflächen (10, 11) geführt. Am Außenumfang der Auflagefläche (11) des Oberteils (5) ist eine Ringpassung (12) angebracht, die an der Außenseite des Abstützbundes (8) der Auflagefläche (10) des Unterteils (2) zentrierend anliegt. Gegenüber der Trennungsebene von Oberteil (5) und Unterteil (2) befindet sich eine umlaufende Leernut (13) mit einem rechtwinklig davon abzweigenden parallel zur Kolbenachse verlaufenden sich hinter die Ringpartie (4) erstreckenden Abschnitt (14). Die Ringpartie (4) weist zwei Ringnuten (15, 16) für Kompressionsringe und eine Ringnut (17) für einen Ölring auf. Vom Umfang des Kühlraums (3), der kolbenfußseitig durch einen gewölbeartig gestalteten und mit den Naben (7) verbundenen Boden (18) mit einer Ablauföffnung (19) für das Kühlöl abgeschlossen ist, erstrecken sich unter einem Winkel von 45° zur Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen (20) bis hinter den Feuersteg (21) und unter den Bereich des Randes des Kolbenbodens. Vom Kühlraum (3) ausgehend sind ferner koaxial verlaufende Sacklochbohrungen (22) im mittleren Teil des Kolbens in nicht dargestellter Sechseck-Konfiguration angebracht. Der Übergangsbereich (23) zwischen der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 45° zur Trennungsebene ansteigend nach außen geneigten Innenfläche des Abstützbundes (9) des Oberteils (5) ist mit einem Radius von 40 mm verrundet.The piston is constructed from a gray cast iron, the piston pin ( 1 ) receiving the lower part ( 2 ) and a steel, the central cooling chamber ( 3 ) delimiting and the ring section ( 4 ) supporting upper part ( 5 ) with a flat combustion chamber bowl ( 6 ) , which are clamped together via expansion screws, not shown. The lower part ( 2 ) is set back on both sides of the horizontal plane enclosing the pin axis direction and on the piston foot side up to the lower end like a chord against the outer circumference of the lower part ( 2 ) and the hubs ( 7 ) of the pin eyes are displaced towards the piston axis. The lower part ( 2 ) and the upper part ( 5 ) are supported against one another by means of annular support surfaces ( 10 , 11 ) mounted on support collars ( 8 , 9 ) in their plane of separation perpendicular to the piston axis. The expansion screws are guided through the support collars ( 8 , 9 ) and the contact surfaces ( 10 , 11 ). On the outer circumference of the support surface ( 11 ) of the upper part ( 5 ) there is an annular fit ( 12 ) which is centered on the outside of the support collar ( 8 ) of the support surface ( 10 ) of the lower part ( 2 ). Opposite the plane of separation of the upper part ( 5 ) and lower part ( 2 ) there is a circumferential empty groove ( 13 ) with a section ( 14 ) extending at right angles and extending parallel to the piston axis behind the ring section ( 4 ). The ring section ( 4 ) has two ring grooves ( 15 , 16 ) for compression rings and one ring groove ( 17 ) for an oil ring. From the circumference of the cooling chamber ( 3 ), which is closed on the piston foot side by a vault-shaped bottom ( 18 ) connected to the hubs ( 7 ) with a drain opening ( 19 ) for the cooling oil, there is an inclined slope of 45 ° to the parting plane radially outward blind holes ( 20 ) to behind the top land ( 21 ) and under the area of the rim of the piston crown. Starting from the cooling chamber ( 3 ), coaxial blind bores ( 22 ) are also made in the central part of the piston in a hexagon configuration (not shown). The transition region ( 23 ) between the inner surface of the piston crown and the inner surface of the support collar ( 9 ) of the upper part ( 5 ), which inclines outwards and rises at an angle of 45 ° to the separation plane, is rounded with a radius of 40 mm.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine vergleichsweise deutliche Verringerung der Kompressionshöhe und damit der Bauhöhe des gebauten Kolbens eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt wird. Diese Gewichtsreduzierung zeigt jedoch keine nachteiligen Wirkungen, da durch die Anordnung der Sacklochbohrungen eine optimale Kühlung von Kolbenboden und Ringpartie erzielt und andererseits die notwendige Elastizität bei guter Dauerfestigkeit durch die Anordnung und Ausgestaltung der Leernut im Bereich der Trennungsebene und des damit verbundenen kreisringförmigen und sich hinter die Ringpartie erstreckenden Abschnitts erreicht wird. Durch das Anbringen der Sacklochbohrungen wird eine vergleichsweise große Kühloberfläche erzeugt.The advantages achieved with the invention exist especially in that by a comparative significant reduction in the compression level and thus the Height of the piston built a significant Weight reduction is achieved. These Weight loss, however, shows no disadvantage Effects because of the arrangement of the blind holes optimal cooling of the piston crown and ring section achieved and on the other hand the necessary elasticity good fatigue strength through the arrangement and Design of the empty groove in the area of the separation level and the associated circular and itself reached behind the ring section becomes. By making the blind holes, a comparatively large cooling surface.

Claims (5)

1. Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für mittelschnellaufende Dieselmotoren, bestehend aus einem den Kolbenbolzen (1) aufnehmenden Unterteil (2) und einem einen zentralen Kühlraum (3) begrenzenden und das Ringfeld (4) tragenden Oberteil (5), die sich über in ihrer Trennungsebene senkrecht zur Kolbenachse liegende auf konzentrischen Abstützbunden (8, 9) angeordnete kreisförmige Auflageflächen (10, 11) gegeneinander abstützen, über durch die Abstützbunde und die Auflageflächen geführte Schrauben miteinander verspannt sind, im Bereich ihrer Trennungsebene eine vom Außenumfang her angebrachte umlaufende Leernut (13) aufweisen und durch eine an dem Außenumfang der Auflagefläche des Oberteils angebrachte an der radialen Außenseite des Abstützbundes der Auflagefläche des Unterteils anliegende Ringpassung (12) gegeneinander zentriert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringfeld (5) zwei Kompressionsringe und eine einen Ölring aufnehmende Ringnuten (15, 16, 17) aufweist, die Höhe des Feuerstegs (21) 6 bis 10% und die Kompressionshöhe 65 bis 90% des Kolbendurchmessers betragen, von der Leernut (13) eine sich hinter das Ringfeld erstreckende Leernut (14) abzweigt und sich vom Kühlraum (3) aus parallel zur Kolbenachse verlaufende Sacklochbohrungen (22) in den mittleren Teil des Kolbenbodens sowie vom Umfang des Kühlraums aus gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigte radial nach außen verlaufende Sacklochbohrungen (20) bis in die Bereiche hinter den Feuersteg und den Rand des Kolbenbodens erstrecken. 1. Piston with liquid cooling for internal combustion engines, in particular for medium-speed diesel engines, consisting of a lower part ( 2 ) receiving the piston pin ( 1 ) and a central cooling chamber ( 3 ) which delimits the ring section ( 4 ) and carries the upper part ( 5 ), which over In their plane of separation perpendicular to the piston axis, support each other on circular support surfaces ( 10 , 11 ) arranged on concentric support collars ( 8 , 9 ), which are clamped together by screws guided through the support collars and the support surfaces, in the area of their separation plane an all-round empty groove attached from the outer circumference ( 13 ) and are centered against each other by an annular fit ( 12 ) attached to the outer circumference of the supporting surface of the upper part and bearing against the radial outside of the support collar of the supporting surface of the lower part, characterized in that the annular field ( 5 ) accommodates two compression rings and one oil ring de annular grooves ( 15 , 16 , 17 ), the height of the top land ( 21 ) 6 to 10% and the compression height 65 to 90% of the piston diameter, from the empty groove ( 13 ) branches off behind the ring field extending empty groove ( 14 ) and from the cooling space ( 3 ) parallel to the piston axis blind holes ( 22 ) in the central part of the piston crown and from the circumference of the cooling space from the cooling plane inclined radially outwardly extending blind holes ( 20 ) to the areas behind the top land and the Extend the edge of the piston crown. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Sacklochbohrungen (20, 22) 10 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 45 mm, beträgt.2. Piston according to claim 1, characterized in that the diameter of the blind bores ( 20 , 22 ) is 10 to 50 mm, preferably 20 to 45 mm. 3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Umfang des Kühlraums (3) ausgehenden gegenüber der Trennungsebene ansteigend geneigten Sacklochbohrungen (20) einen Winkel von 35 bis 55°, vorzugsweise 45°, mit der Trennungsebene bilden.3. Piston according to claims 1 and 2, characterized in that the outgoing from the periphery of the cooling space ( 3 ) with respect to the plane of separation inclined blind holes ( 20 ) form an angle of 35 to 55 °, preferably 45 °, with the plane of separation. 4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zur Kolbenachse verlaufenden Sacklochbohrungen (22) auf den Ecken von gleichseitigen Sechsecken angeordnet sind.4. Piston according to claims 1 to 3, characterized in that the blind holes extending parallel to the piston axis ( 22 ) are arranged on the corners of equilateral hexagons. 5. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich zwischen der Innenfläche des Kolbenbodens und der unter einem Winkel von 35 bis 55°, vorzugsweise 45°, zur Trennungsebene nach außen ansteigend geneigte Innenfläche des Abstützbundes (9) des Oberteils (5) mit einem Radius von 30 bis 60 mm verrundet ist.5. Piston according to claims 1 to 4, characterized in that the transition region between the inner surface of the piston crown and the inner surface of the support collar ( 9 ) of the upper part, which rises outwards at an angle of 35 to 55 °, preferably 45 ° ( 5 ) is rounded with a radius of 30 to 60 mm.
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