DE8023117U1 - PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES - Google Patents
PISTON FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINESInfo
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Description
HOFFMANN · EITLE & PARTNERHOFFMANN · EITLE & PARTNER
DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEUASTRASSE 4 . D-SOOO MÖNCHEN 81 ■ TELE FON (089) 711087 · TE LEX 05-29419 (PATH E)DIPL.-ING. K. FDCHSLE DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEUASTRASSE 4. D-SOOO MÖNCHEN 81 ■ TELE FON (089) 711087 · TE LEX 05-29419 (PATH E)
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ALCAN ALUMINIUMWERK NÜRNBERG GmbH D-6000 Frankfurt/M.ALCAN ALUMINUMWERK NÜRNBERG GmbH D-6000 Frankfurt / M.
Kolben für BrennkraftmaschinenPistons for internal combustion engines
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftrnaschinen mit einem Kühlkanal für die Kolbenkühlung in der Nähe der Kolbenringnuten im Kolbenkörper und einer Kolbenbodenplatte als Kolbenoberteil aus warmfestem Stahl oder einem anderen hochhitzebeständigen Material.The invention relates to a piston for internal combustion engines with a cooling channel for piston cooling in the vicinity of the Piston ring grooves in the piston body and a piston head plate as a piston top made of heat-resistant steel or another high temperature resistant material.
Ganz aus Leichtmetall bestehende Kolben sind in der Regel für extreme Belastungen, insbesondere in hochaufgeladenen Dieselmotoren, nicht geeignet. Dies gilt insbesondere für den dem Brennraum zugewandten oberen Teil des Kolbens. Aus diesem Grunde sind bereits sogenannte gebaute Kolben bekannt, bei welchen das Kolbenoberteil aus warmfestem Stahl oder einem anderen hochhitzebeständigen Material besteht, während der Kolbenunterteil aus Leichtmetall gebildet ist.Pistons made entirely of light metal are usually for extreme loads, especially in highly charged Diesel engines, not suitable. This applies in particular to the upper part of the piston facing the combustion chamber. the end For this reason, so-called built pistons are already known in which the piston upper part is made of heat-resistant steel or Another highly heat-resistant material, while the piston lower part is made of light metal.
Die Verbindung der beiden aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Kolbenteile erfolgt dabei über Schraubenverbindungen, da Schweiß- oder Lötverbindungen ausscheiden. Verbindungen zwischen Kolbenober- und -unterteil durch Schrauben oder dergleichen machen jedoch häufig Probleme, da sie im Dauerbetrieb vielfach zu einer Lockerung der beiden Teile voneinander führen.The connection of the two piston parts made of different materials is done via screw connections, as welded or soldered connections are eliminated. Connections between the upper and lower part of the piston However, screws or the like often cause problems, since they often loosen the two in continuous operation Lead parts from each other.
Trotz dieses Nachteiles haben sich derartig gebaute Kolben mit einem Kolbenunterteil aus Leichtmetall wegen ihres geringen Gewichtes durchgesetzt, da ganz aus Stahl bestehende Kolben wegen ihres wesentlich höheren Gewichtes bisher nicht befriedigen konnten.Despite this disadvantage, pistons constructed in this way with a lower piston part made of light metal have proven themselves because of their small size Weight prevailed because pistons made entirely of steel have not yet been used because of their significantly higher weight could satisfy.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Gattung derart zu gestalten,daß bei Ausbildung mit einem Kolbenober- und einem Kolbenunterteil die Gefahr der Lockerung der Verbindung dieser beiden Teile vermieden ist, ohne daß eine wesentliche Gewichtserhöhung des Kolbens in Kauf genommen werden muß.The invention is therefore based on the object of a piston of the type mentioned in such a way that when formed with an upper piston part and a lower piston part the risk of loosening the connection between these two parts is avoided without a substantial increase in weight of the piston must be accepted.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der das Kolbenoberteil tragende Kolbenunterteil aus fließgepreßtem Stahl besteht und mit dem Kolbenoberteil durch Schweißen oder Löten verbunden ist. Die Ausbildung des Kolbenunterteils aus fließgepreßtem Stahl ermöglicht sehr geringe Wandstärken im Kolbenunterteil, wodurch das Gewicht des gesamten Kolbens wie bei dem bekannten gebauten Kolben gering gehalten werden kann.Das Kolbenunterteil kann kalt oder warm fließgepreßt sein.This object is achieved according to the invention in that the lower piston part carrying the upper piston part is made of extruded material Steel and is connected to the piston head by welding or soldering. The formation of the piston lower part made of extruded steel enables very low wall thicknesses in the piston lower part, which reduces the weight of the entire piston can be kept small as in the known built piston. The piston lower part can be cold or be hot extruded.
Mit_der erfindungsgemäßen zweiteiligen Kolbenausbildung aus einem Ober- und einem fließgepreßten Unterteil kann eine weitere Gewichtsverringerung des Kolbens dadurch erreicht werden, daß der Kühlkanal in den Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Kolbenteilen gelegt wird, so daß er in seinem Querschnitt sowohl vom Kolbenober- als auch vom Kolbenunterteil begrenzt wird.' Hierbei ist es möglich, dem Kühlkanal relativ großen Querschnitt zu geben, wodurch das Kolbengewicht weiter reduziert wird. Der Kühlkanal kann mit seinem Querschnitt ganz in den Kolbenoberteil oder in den Kolbenunterteil oder jeweils teilweise in diese beiden .Kolbenteile eingreifen. Statt einem Kühlkanal können auch mehrere Kühlkanäle in dieser Weise angeordnet sein.With the two-part piston design according to the invention from an upper part and an extruded lower part, a further reduction in weight of the piston can thereby be achieved be that the cooling channel is placed in the connecting area between these two piston parts, so that it is limited in its cross-section by both the upper piston part and the lower piston part. ' Here it is possible to give the cooling channel a relatively large cross-section, which further reduces the piston weight. The cooling duct can with its cross section completely in the piston upper part or in the piston lower part or in each case partially in these two . Engage piston parts. Instead of one cooling channel, several cooling channels can also be arranged in this way.
Um bei großem Querschnitt des oder der Kühlkanäle nicht zu hohe Wärmemengen vom Kolbenboden abzuziehen, die ein Ansteigen des spezifischen Kraftstoffverbrauches der Brennkraftmaschine zur Folge hätte, und um die abzuführenden Wärmemengen gezielt steuern zu können, sind der oder die Kühlkanäle im Querschnitt durch eine oder mehrere Trennwände in zwei oder mehr nebeneinander sich erstreckende Kanalräume unterteilt. Hierdurch kann in verschiedenen Bereichen des bzw. der Kühlkanäle ein verschieden großer Kühlmitteltransport sichergestellt werden. Die Trennwand kann sich im wesentlichen über die gesamte unter dem Kolbenoberteil befindliche Länge des Kühlkanals erstrecken und die beiderseits der Trennwand befindlichen Kanalräume gegeneinander abdichten. In der Trennwand können aber auch Verbindungsöffnungen zum übertritt des Kühlmittels von einem zum anderen der beiden Kanalräume vorhanden sein.In order not to have a large cross section of the cooling channel or channels withdraw high amounts of heat from the piston crown, which increases the specific fuel consumption of the internal combustion engine would result, and in order to be able to control the amount of heat to be dissipated in a targeted manner, the cooling channel or channels are in cross section through one or more partition walls in two or more duct spaces extending next to one another divided. As a result, coolant can be transported of different sizes in different areas of the cooling channel or channels be ensured. The partition wall can be located essentially over the entire area under the upper piston part Extend the length of the cooling channel and the channel spaces located on both sides of the partition wall against each other seal. However, connection openings can also be provided in the partition to allow the coolant to pass from one of the two duct spaces to the other.
Bei einem ringfprmigen Kühlkanal sind die beiden durch die Trennwand gebildeten Kühlrnume ebenfalls ringförmig, wobei die Trennwand zweckmäßig so angeordnet ist, daß der eine ringförmige Kanalraum von der Trennwand aus gesehen dem Kolbenboden zugewandt und der andere Kanalraum von dem Kolbenboden bzw. der Brennraummulde abgewandt ist. Der dem Kolbenboden bzw. der Brennraummulde abgewandte äußere Kanalraum steht dabei über Zu- und Abläufe mit der Kühlmittelversorgung des Kolbens in Verbindung, während der dem Kolbenboden bzw. der Brennraummulde1 zugewandte innere ringförmige Kanalraum evakuiert oder gasgefüllt sein kann. Die Ausgestaltung kann auch so getroffen sein, daß der innere Kanalraum mehr Luft bzw. Gas und weniger Kühlmittel führt als der äußere Kanalringraum. Dabei können zum Zwecke des Druckausgleichs relativ kleine Verbindungsöffnungen zum übertritt des Kühlmittels von einem zum anderen der beiden Kanalräume in der Trennwand vorgesehen sein. Hierdurch kann erreicht werden, daß die in dem inneren Kanalraum befindlichen Kühlmittelmengen nur einem geringen Austausch unterliegen.In the case of an annular cooling duct, the two cooling spaces formed by the partition are also annular, the partition being expediently arranged so that one annular duct faces the piston head when viewed from the partition and the other duct space faces away from the piston crown or the combustion bowl. The outer channel space facing away from the piston crown or combustion bowl is connected to the coolant supply of the piston via inflows and outlets, while the inner annular channel space facing the piston crown or combustion bowl 1 can be evacuated or filled with gas. The design can also be such that the inner duct space carries more air or gas and less coolant than the outer annular duct space. For the purpose of pressure equalization, relatively small connection openings can be provided in the partition wall for the coolant to pass from one of the two channel spaces to the other. In this way it can be achieved that the quantities of coolant located in the inner duct space are only subject to a small exchange.
Infolge der vorgeschilderten Ausbildung des oder der Kühlkanäle wird durch das in ihnen strömende Kühlmittel nicht mehr Wärme als unbedingt notwendig aus dem Kolbenoberteil und damit aus den heissen Zonen des Kolbens der Brennkraftmaschine abgeführt. Deshalb stellen sich an den Wänden des inneren Kanalraumes hohe Wandtemperaturen ein, die zur Pyrolyse des meist aus öl bestehenden Kühlmittels und zu einem Ölkohleaufbau an diesen Wänden führen können. Dieser Ölkohleaufbau führt aber zu einer wünschenswerten Wärme-Isolierwirkung im Bereich der Wände des inneren Kühlkanalraumes. As a result of the aforementioned formation of the cooling channel or channels, the coolant flowing through them does not generate more heat than it is absolutely necessary to remove it from the upper part of the piston and thus from the hot zones of the piston of the internal combustion engine. That's why high wall temperatures arise on the walls of the inner duct space, which lead to the pyrolysis of the mostly oil Coolant and oil carbon build-up on these walls. However, this oil carbon build-up leads to a desirable one Thermal insulation effect in the area of the walls of the inner cooling duct space.
Besonders zweckmäßige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, welche jeweils Querschnitte durch den Kolben zeigen:Particularly useful embodiments of the invention Pistons are described in more detail below with reference to the drawing, each of which has cross sections through the Pistons show:
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Kolben aus einem Kolbenunterteil 1 mit dem Kolbenringfeld 7 und einem Kolbenoberteil 2, welches auf den Kolbenunterteil durch Schweißnähte 3 fest und dauerhaft verbunden ist. Die Ausbildung von Kolbenunterteil 1 und Kolbenoberteil 2 ist im Bereich ihrer Verbindungsflächen so getroffen, daß sie einen ringförmigen Kühlkanal von großem Querschnitt begrenzen, der sowohl in den Kolbenunterteil als auch in den Kolbenoberteil heineinragt.In the embodiment shown in Fig. 1, the piston consists of a piston lower part 1 with the piston ring field 7 and an upper piston part 2, which is firmly and permanently connected to the lower piston part by welds 3 is. The formation of the piston lower part 1 and piston upper part 2 is made in the area of their connecting surfaces so that that they limit an annular cooling channel of large cross-section, which both in the piston lower part and in the piston top protrudes.
Dieser Ringraum mit großem Querschnitt ist durch eine z.B. aus Blech bestehende Trennwand 4 in zwei sich zueinander kon-zentrisch erstreckende ringförmige Kanalräume 5, 6 unterteilt, wobei die Trennwand 4 so gelegt ist, daß der eine Kanalraum 5 der Brennraummulde 10, und dem Kolbenboden zugewandt ist und der andere ringförmige Kanalraum 6 von dieser Brennraummulde abgewandt ist. Die Trennwand 4 ist an den Verbindungsstellen zwischen Kolbenober- und Kolbenunterteil festgeschweißt. Der der Brennraummulde 10 zugewandte innere ringförmige Kanalraum 5 dient hauptsächlich der Vermeidung von Wärmeverlusten. Er kann zu diesem Zwecke gasgefüllt oder evakuiert sein. Der äußere, der Brennraummulde abgewandte Kanalraum 6 ist über Zu- und Abläufe an das Kühlmittelversorgungssystem des Kolbens angeschlossen, so daß er in bekannter Weise von Kühlmittel, z.B. Motorenöl, durchströmt wird.This annular space with a large cross-section is in two concentric to one another by a partition 4 consisting, for example, of sheet metal extending annular channel spaces 5, 6 divided, the partition 4 is placed so that the one channel space 5 facing the combustion bowl 10 and the piston head and the other annular channel space 6 from this combustion bowl is turned away. The partition 4 is at the connection points between the upper and lower piston parts welded in place. The inner annular channel space 5 facing the combustion bowl 10 is mainly used for avoidance of heat losses. For this purpose it can be filled with gas or evacuated. The outer one, facing away from the combustion bowl Channel space 6 is via inlets and outlets to the coolant supply system of the piston so that coolant, e.g. engine oil, flows through it in a known manner will.
Die Ausbildung kann ferner sp getroffen sein, daß kein oder nur ein kleiner Anteil des Kühlmittels in den inneren Kanalraum 5 gelangt. Dies kann beispielsweise auch dadurch geschehen, daß die Trennwand 4 mit relativ kleinen Verbindungsöffnungen zum übertritt des Kühlmittels von dem einen in den anderen Kanalraum ausgestattet ist.The training can also be made so that no or only a small proportion of the coolant in the interior Channel space 5 arrives. This can also be done, for example, in that the partition 4 has relatively small connecting openings is equipped to allow the coolant to pass from one duct space into the other.
Mit Hilfe der Trennwand 4 und der aus Stahl bestehenden Begrenzungswände des Kühlkanals wird ein großes Temperaturgefälle, ausgehend vom Kolbenboden, erreicht. Bei zweckmäßiger Gestaltung des durchströmten Kühlkanals werden trotz hoher Temperaturen im Kolbenbrennraum und kleiner über den gesamten Kolben abgeführter Wärmemengen die maximalen Temperaturen in den Kolbenringnuten 7 nicht höher als bei vorbekannten Motoren.With the help of the partition 4 and the steel boundary walls of the cooling duct, a large temperature gradient is created, starting from the piston crown. With an appropriate design of the flow-through cooling channel, despite high temperatures in the piston combustion chamber and smaller amounts of heat dissipated over the entire piston are the maximum temperatures in the piston ring grooves 7 not higher than in previously known engines.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß sich das Kolbenoberteil 2 bis zur zylindrischen Außenfläche des Kolbens erstreckt und zwei der drei an der zylindrischen Kolbenaußenseite befindlichen Kolbenringnuten 7 aufweist. Die unterste dieser drei Kolbenringnuten ist im Kolbenunterteil angeordnet. Oberhalb dieser untersten Kolbenringnut befindet sich die äußere Schweißnaht 3 für die Verbindung des Kolbenoberteils mit dem Kolbenunterteil 1. Es ist auch möglich, diese äußere Schweißnaht zwischen der oberen und der mittleren Kolbenringnut oder unterhalb der untersten Kolbenringnut anzuordnen.The embodiment shown in Fig. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the Piston upper part 2 extends to the cylindrical outer surface of the piston and two of the three on the cylindrical piston outside Has piston ring grooves 7 located. The lowest of these three piston ring grooves is arranged in the piston lower part. Above this lowest piston ring groove is the outer weld 3 for the connection of the piston upper part with the piston lower part 1. It is also possible to have this outer weld between the upper and the middle Piston ring groove or below the lowest piston ring groove.
Bei Anordnung der äußeren Schweißnaht 3 unterhalb der oberen, der mittleren oder der unteren Ringnut 7 sind die Verschleißfestigkeiten der im höher legierten Kolbenoberteil 2 liegenden Nutenflanken wesentlich höher, als wenn sie sich im wenig Ie-When the outer weld 3 is arranged below the upper, the middle or the lower annular groove 7, the wear resistances are the groove flanks lying in the higher alloyed upper piston part 2 are much higher than when they are in the little Ie-
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gierten Werkstoff des Kolbenunterteils 1 befinden würden. Für hoch aufgeladene Motoren ist eine hohe Nutenverschleißfestigkeit dieser Ringnuten jedoch ausschlaggebend, so daß die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform gerade für hoch aufgeladene Motoren von besonderer Bedeutung ist.yawed material of the piston lower part 1 would be. For For highly charged engines, however, a high slot wear resistance of these annular grooves is crucial, so that the in Fig. 2 shown embodiment just for highly charged Motors is of particular importance.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß der innere, der Brennraummulde 10 zugewandte Kanalraum des Kühlkanals mit Isoliermaterial 8 gefüllt ist. Dieses Isoliermaterial 8 kann an der Trennwand 4, eventuell aber auch an dem Kolbenoberteil 2 befestigt sein. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Isoliermaterial im Inneren durch die Trennwand 4 geschaffenen Kanalraum durch einen Isolierkörper 9 gebildet.The embodiment shown in Fig. 3 differs from that of FIG. 1 only in that the inner, the channel space of the cooling channel facing the combustion chamber trough 10 is filled with insulating material 8. This insulating material 8 can on the partition 4, but possibly also on the piston upper part 2 be attached. In the embodiment shown in Fig. 4, the insulating material is inside the duct space created by the partition 4 is formed by an insulating body 9.
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- 1980-08-29 DE DE19808023117U patent/DE8023117U1/en not_active Expired
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