EP0210649A2

EP0210649A2 - Light-weight metal piston

Info

Publication number: EP0210649A2
Application number: EP86110453A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Böhm; Helmut Zweck
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH; Alcan Aluminiumwerke GmbH; Alcan Deutschland GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1986-07-29
Publication date: 1987-02-04
Also published as: DE3527447A1; JPS6241953A; DE3667703D1; ATE48895T1; EP0210649B1; EP0210649A3; BR8603617A; US4754731A; KR870001392A

Abstract

Light-metal piston for combustion engines, having a sleeve-like insert embedded therein and controlling its heat expansion and being formed of a metal of smaller heat expansion coefficient than the piston base material. The insert is arranged in the solid material of the piston crown and extends around the entire piston periphery. Behind the insert, the piston base material is self-contracted to form a gap delimited by the insert on one side. On at least one edge or one side, the insert is not covered by piston base material, i.e. it extends up to the piston surface, this occurring however only in certain segments and not along the entire piston periphery. In the other segments, the insert lies beneath the piston surface and is thus covered by piston base material. To the extent that the insert is exposed on the piston end face, it is provided with an edge zone covering the depth of the self-contraction gap.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer seine Wärmedehnung steuernden, in sich geschlossenen hülsenförmigen Einlage aus einem Metall von geringerer Wärmeausdehnung als das Kolbengrundmaterial (der Kolbengrundkörper), welche Einlage sich über den gesamten Kolbenumfang erstreckt und an mindestens einem Rand vom Kolbenmaterial freigelegt ist, d.h. an eine Kolbenoberfläche heranreicht, wobei hinter der Einlage das Kolbengrundmaterial unter Bildung eines von der Einlage an einer Seite begrenzten Spaltes freigeschrumpft ist.The invention relates to a piston made of light metal for internal combustion engines with a self-contained sleeve-shaped insert which controls its thermal expansion and is made of a metal of lower thermal expansion than the piston base material (the piston base body), which insert extends over the entire piston circumference and is exposed by at least one edge of the piston material is, ie reaches a piston surface, the piston base material being shrunk free behind the insert, forming a gap delimited by the insert on one side.

Derartige Kolben sind bereits bekannt (z.B. DE-AS 10 73 257 und DE-AS 10 78 387). Bei diesen Kolben besteht die Einlage aus einer Metallhülse, einem Metallstreifen oder einem Metallband, das in das Kolbengrundmaterial des Kolbenschaftes an derjenigen Stelle eingegossen ist, an der eine Regelungswirkung im Bereich des Kolbenschaftes gewünscht wird. Beim Abkühlen nach dem Eingießen hat sich bei diesem bekannten Kolben das innerhalb der Einlage befindliche Kolbengrundmaterial des Kolbenschaftes aufgrund seines größeren Wärmedehnungskoeffizienten von der Regeleinlage freigeschrumpft, so daß sich ein Spalt zwischen dem freigeschrumpften Kolbengrundmaterial und der Regeleinlage gebildet hat, während das auf der Außenseite der Regeleinlage befindliche Kolbengrundmaterial auf die Einlage aufgeschrumpft ist, wobei diese eine Zugvorspannung erhalten hat. Da die während des Eingießens der Regeleinlage in den Kolbenschaft in diesem aufgetretenen Temperaturen während des Motorbetriebes nicht wieder erreicht werden, geht die Schrumpfung während des Motorbetriebs nur um einen Teil zurück, wodurch sich der bei Abkühlung des frisch gegossenen Kolbens durch Schrumpfung entstandene Spalt an der Innenseite der Regeleinlage nicht völlig zurückbildet. Hierdurch wird erreicht, daß das an der Außenseite der Regeleinlage befindliche Kolbengrundmaterial durch das innerhalb der Regeleinlage liegende Kolbengrundmaterial im Regelbereich nicht beeinflußt wird. Vielmehr wird bei der beim Motorbetrieb entstehenden Temperatur und die dabei erfolgende thermische Ausdehnung des an der Außenseite der Regeleinlage befindlichen auf diese aufgeschrumpften Kolbengrundmaterials zunächst dessen Zugvorspannung abgebaut. Erst dann wird eine tatsächliche Ausdehnung dieses äußeren Kolbengrundmaterials mit einer tatsächlichen Zunahme der Außenabmessung des Kolbens im Regelbereich erfolgen, so daß sich am Kolben in dem genannten Regelbereich zwischen Kaltstart und Betriebstemperatur nur kleine Durchmesserveränderungen ergeben. Im Hinblick darauf kann das Kolbenspiel kleingehalten bleiben.Such pistons are already known (for example DE-AS 10 73 257 and DE-AS 10 78 387). In these pistons, the insert consists of a metal sleeve, a metal strip or a metal band which is cast into the piston base material of the piston skirt at the point at which a regulating effect in the area of the piston skirt is desired. When cooling after pouring in this known piston, the piston base material of the piston skirt located within the insert has become larger due to its larger size Thermal expansion coefficients shrunk free from the control insert, so that a gap has formed between the shrunk free piston base material and the control insert, while the piston base material located on the outside of the control insert has shrunk onto the insert, whereby this has received a tensile prestress. Since the temperatures that occurred during the pouring of the control insert into the piston skirt are not reached again during engine operation, the shrinkage during engine operation only decreases by a part, as a result of which the gap on the inside caused by shrinkage when the freshly cast piston cools of the rule deposit does not completely decrease. This ensures that the piston base material located on the outside of the control insert is not influenced in the control area by the piston base material lying within the control insert. Rather, at the temperature that arises during engine operation and the thermal expansion that occurs in the process, the piston base material that is shrunk onto the outside of the control insert is first relieved of its tensile stress. Only then will there be an actual expansion of this outer piston base material with an actual increase in the outer dimension of the piston in the control range, so that there are only small diameter changes on the piston in the control range mentioned between cold start and operating temperature. In this regard, the piston play can be kept small.

Wie bereits vorstehend erwähnt, wurden bei dem bekannten Kolben jedoch derartige Regeleinlagen nur im Kolbenschaft angeordnet, da man die Anordnung solcher Regeleinlagen in der aus Vollmaterial bestehenden Kolbenkrone für nicht praktikabel hielt. Man hielt nämlich eine Regelung des massiven Kolbenkopfs schon deshalb für unmöglich, da dieser einer starren Regeleinlage nicht elastisch nachgeben kann. Eine Regelung nach dem Prinzip des Freischrumpfens des Kolbengrundmaterials von der einen Seite der Regeleinlage hielt man im Kolbenkopf für unmöglich, weil dieses Prinzip seine einwandfreie Funktion nur bekommt, wenn die Regeleinlage im Regelbereich freigelegt ist, d.h. an der Kolbenoberfläche freiliegende Seiten oder Ränder hat, die nicht vom Kolbengrundmaterial überdeckt sind. Denn nur in diesem Fall ist das Kolbengrundmaterial an der einen Seite der Regeleinlage mit demjenigen an der anderen Seite der Regeleinlage nicht unmittelbar verbunden, so daß die Kolbenmaterialien auf den beiden Seiten der Regeleinlage unabhängig voneinander schrumpfen bzw. sich ausdehnen können, was für die Wirkung dieser Regelung Voraussetzung ist.As already mentioned above, however, such control inserts were only arranged in the piston skirt in the known piston, since the arrangement of such control inserts in the piston crown consisting of solid material was considered impractical. A regulation of the massive piston head was considered impossible because it cannot yield to a rigid control insert elastically. A control according to the principle of shrinking the piston base material from one side of the control insert was considered impossible in the piston head, because this principle only functions properly if the control insert is exposed in the control area, i.e. has exposed sides or edges on the piston surface that are not covered by the piston base material. Because only in this case the piston base material on one side of the control insert is not directly connected to that on the other side of the control insert, so that the piston materials on the two sides of the control insert can shrink or expand independently of one another, which is the effect of this Regulation is a requirement.

Durch das Freilegen der Regeleinlage an deren Seiten oder Rändern ergeben sich jedoch am Kolbenkopf Probleme bezüglich der Dauerwechselfestigkeit des an der Außenseite der Regeleinlage befindlichen relativ dünnen schalenförmigen äußeren Kolbengrundmaterials, wobei es bei Motorbetrieb zum Abspringen dieser äußeren Materialschale und evtl. sogar der diese begrenzenden Regeleinlage kommen kann. Außerdem kann in den bei diesem Regelsystem durch Freischrumpfen des Kolbengrundmaterials an der einen Seite der Regeleinlage entstehenden und auch bei Motorbetrieb bestehen bleibenden Spalt Öl eindringen, das dort bei den hohen Verbrennungstemperaturen verkokt und sich als Ölkohle ablagert, wodurch sich der Spalt nach und nach zusetzt und die Regelwirkung dabei mehr und mehr eingeschränkt bzw. letztlich verhindert wird.By exposing the control insert on its sides or edges, however, problems arise on the piston head with regard to the fatigue strength of the relatively thin, shell-like outer piston base material located on the outside of the control insert, with this outer material shell jumping off during engine operation and possibly even the control insert limiting it can. In addition, in the case of this control system, shrinking of the piston base material on one side of the control insert and also during engine operation persistent gap penetrate oil, which cokes there at the high combustion temperatures and is deposited as oil coal, whereby the gap gradually clogs up and the control effect is more and more limited or ultimately prevented.

Aus diesem Grunde hat man sich mit einer Regelung im Bereich des Kolbenschaftes zufrieden gegeben. Um bei Vollastbetrieb ein Fressen des ungeregelten Kolbenkörpers infolge der Temperatur bedingten Durchmesservergrößerung zu vermeiden, muß im Einbauzustand zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand ein großes Spiel vorgesehen sein. Dies hat zur Folge, daß bei kaltem Motor der Kolben wegen fehlender Kopfführung kippt und klappert und der Feuersteg stark von heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird mit der Gefahr der Verkokung des Feuersteges und hohen Verschleißes der ersten Kolbenringnut. Man hat versucht, die erwähnten Nachteile eines notwenigerweise großen Kopfspiels durch verschiedene Maßnahmen zu vermeiden. So hat man Maßnahmen zur Kolbenkopfkühlung vorgesehen, beispielsweise in Form von wärmeableitenden Metalleinlagen (DE-PS 554 865), durch Besprühen mit Öl (DE-PS 25 39 470) oder durch Einbau von Kühlkanälen (DE-PS 24 35 377). Zum erhöhten Schutz der ersten Ringnut hat man auch eine Vergrößerung der Feuersteghöhe vorgesehen und Nutarmierungen in den Kolben eingegossen (DE-OS 24 10 140) auch in Verbindung mit Kühlkanälen. Auch sind Kolben mit vergrößerten Kolbenkopfspielen bekanntgeworden, deren Schliffbild so gestaltet ist, daß ein Abrollen des Kolbenkopfes statt seines Anschlagens erreicht wird.For this reason, one has been satisfied with a regulation in the area of the piston skirt. In order to prevent the uncontrolled piston body from seizing due to the temperature-related increase in diameter during full load operation, a large clearance must be provided between the piston head and the cylinder wall in the installed state. As a result, when the engine is cold, the piston tilts and rattles due to the lack of a head guide and the top land is exposed to hot combustion gases, with the risk of coking the top land and high wear of the first piston ring groove. Attempts have been made to avoid the mentioned disadvantages of a necessarily large head game by various measures. Measures for piston head cooling have been provided, for example in the form of heat-dissipating metal inserts (DE-PS 554 865), by spraying with oil (DE-PS 25 39 470) or by installing cooling channels (DE-PS 24 35 377). To increase the protection of the first ring groove, an increase in the top land height has been provided and groove reinforcements have been poured into the piston (DE-OS 24 10 140), also in connection with cooling channels. Pistons with enlarged piston head play have also become known, the micrograph of which is designed in such a way that the piston head rolls off instead of striking it.

Alle diese bisher versuchten Lösungen konnten jedoch die vorgenannten Nachteile nicht zufriedenstellend beseitigen.However, all of these solutions tried so far have not been able to satisfactorily eliminate the aforementioned disadvantages.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß insbesondere bei den heute in Achsrichtung relativ kurzen Kolben, also Kolben mit kurzen Schäften, eine Regelung im Schaftbereich nicht ausreicht, um das Laufspiel und insbesondere das Kippspiel des Kolbens möglichst gering zu halten, um Kipp- und Klappergeräusche und Verschleißfolgen möglichst zu vermindern oder auszuschließen sowie eine Verkokung des Feuersteges, vorzugsweise über den Bolzenaugen zu vermeiden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der nicht nur ein geringes Laufspiel im Bereich des Kolbenschaftes, sondern auch ein geringes Lauf- und Kippspiel im Bereich der Kolbenkrone hat, um ein Kippen und Klappern des Kolbens mit Verschleißfolgen sowie eine Verkokung des Feuersteges so weit als möglich auszuschließen.The invention is based on the finding that, particularly in the case of pistons which are relatively short in the axial direction today, i.e. pistons with short shafts, regulation in the shaft area is not sufficient to keep the running play and in particular the tilting play of the piston as low as possible, in order to prevent tipping and rattling noises and to reduce or rule out the consequences of wear as far as possible and to prevent coking of the top land, preferably above the bolt eyes. The invention is therefore based on the object to provide a piston of the type mentioned, which not only has a low running clearance in the area of the piston skirt, but also a low running and tilting clearance in the area of the piston crown to prevent the piston from tilting and rattling Consequences of wear and coking of the top land can be excluded as far as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß beim Kolben der vorgenannten Gattung dadurch gelöst, daß eine Regeleinlage im Vollmaterial der Kolbenkrone angeordnet und wenigstens an einer ihrer Ränder bzw. Seiten nur in bestimmten Segmentbereichen des Kolbenumfanges freigelegt ist, in den anderen Segmentbereichen jedoch unter der Kolbenoberfläche liegt, d.h. vom Kolbengrundmaterial vollständig überdeckt und in diesem formschlüssig verankert ist, und daß die Einlage, soweit sie an der Kolbenstirnfläche freigelegt ist, mit einer die Tiefe des Freischrumpfspaltes abdeckenden Abkantung versehen ist.This object is achieved according to the invention in the case of the piston of the aforementioned type in that a regulating insert is arranged in the solid material of the piston crown and is exposed at least on one of its edges or sides only in certain segment areas of the piston circumference, but in the other segment areas is below the piston surface, ie from Piston base material is completely covered and anchored in this form-fitting manner, and that the insert, insofar as it is exposed on the piston end face, is provided with a bevel covering the depth of the free shrink gap.

Damit sind die folgenden Vorteile bzw. Wirkungsweisen gewährleistet:

1. Abdeckung des Freischrumpfspaltes zur Verhinderung seines Zusetzens mit Ölkohle.
2. Erzielung einer örtlich begrenzten und damit gezielten Regelung durch Freilegen der Regeleinlage nur in bestimmten Segmenten der Einlage.
3. Feste Verankerung der Regeleinlage in ihren übrigen Segmentbereichen im Kolbenmaterial durch ihre hülsenförmige Ausbildung und allseitige Einbettung im Kolbengrundmaterial unterhalb der Kolbenoberfläche, um ein Wegschleudern der Einlage oder Teilen des Kolbengrundmaterials vom Kolben zu verhindern, was bei durchgehend freigelegten Einlagen kaum zu vermeiden ist.

This guarantees the following advantages and modes of action:

1. Cover the free shrink gap to prevent it from becoming clogged with coal.
2. Achieving a locally limited and therefore targeted regulation by exposing the standard insert only in certain segments of the insert.
3. Fixed anchoring of the standard insert in its other segment areas in the piston material due to its sleeve-shaped design and all-round embedding in the piston base material below the piston surface in order to prevent the insert or parts of the piston base material from being flung away from the piston, which can hardly be avoided with continuously exposed inserts.

Durch das Freischrumpfen des Kolbengrundmaterials an der Innenseite der hülsenförmigen Regeleinlage und den im Verhältnis zum ungeregelten Kolbenkopf sehr dünnen Regelstreifen des Kolbengrundmaterials an der Außenseite der Einlage erhält die Kolbenkrone eine bisher nicht erzielbare Elastizität, wodurch ihr Anschlagen an der Zylinderwand in ein elastisch-federndes Anlaufen umgewandelt wird und die Gefahr eines Kolbenfressen weiter vermindert wird.Due to the shrinking of the piston base material on the inside of the sleeve-shaped control insert and the very thin control strip of the piston base material on the outside of the insert in relation to the unregulated piston head, the piston crown obtains a previously unattainable elasticity, which means that it strikes the cylinder wall into an elastic, springy start and the risk of piston seizure is further reduced.

Die Einlage kann z.B. mit ihrem einen unteren Rand oder ihrer unteren Seite an die Kolbenseitenwand oder an eine Kolbenringnut heran freigelegt sein. Es kann auch zweckmäßig sein, daß die Einlage im Querschnitt eine Abknickung oder Rundung besitzt und mit dieser oder mit ihrer gesamten Außenseite an der Kolbenseitenwand liegt, also an dieser freigelegt ist. Auch ist es möglich, der Ringnut mit einem der freigeschnittenen Enden der Regeleinlage zumindest eine teilweise Armierung zu geben.The insert can, for example, be exposed with its lower edge or its lower side to the piston side wall or to a piston ring groove. It may also be appropriate for the insert to have a kink or rounding in cross-section and with this or lies with its entire outside on the piston side wall, that is to say is exposed on the latter. It is also possible to give the annular groove at least partial reinforcement with one of the cut-off ends of the control insert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kolbens ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens im Axialschnitt durch den Kolben, wobei die linke Zeichnungshälfte einen Schnitt darstellt, der sich senkrecht zu demjenigen der rechten Zeichnungshälfte erstreckt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß Fig. 1 nach Linie II-II in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schrägansicht der Regeleinlage bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 5 ist ein Querschnitt nach Linie V-V in Fig. 4.
Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 7 ist ein Querschnitt nach Linie VII-VII in Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 9 ist ein Querschnitt nach Linie IX-IX in Fig. 8.
Fig. 10 zeigt eine fünfte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 11 ist ein Querschnitt nach Linie XI-XI in Fig. 10.
Fig. 12 zeigt eine sechste Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 13 ist ein Querschnitt nach Linie XIII-XIII in Fig. 12.
Fig. 14 zeigt eine siebte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 15 ist ein Querschnitt nach Linie XV-XV in Fig. 14.
Fig. 16 zeigt eine achte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 17 ist ein Querschnitt nach Linie XVII-XVII in Fig. 16.
Fig. 18 zeigt eine neunte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1.
Fig. 19 zeigt einen Querschnitt nach Linie XIX-XIX in Fig. 18,
Fig. 20 zeigt eine zehnte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1,
Fig. 21 ist eine Draufsicht auf die Kolbenstirnfläche dieser Ausführungsform,
Fig. 22 ist eine vergrößerte Schrägansicht der Einlage gemäß Fig. 20 und 21,
Fig. 23 zeigt eine elfte Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1,
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf die Kolbenstirnfläche dieser Ausführungsform,.
Fig. 25 zeigt eine zwölfte Ausführungsform in gleicher Darstellung wie Fig. 1,
Fig. 26 ist ein Querschnitt nach Linie XXVI-XXVI in Fig. 25,
Fig. 27 ist eine dreizehnte Ausführungsform in gleicher Darstellung wie Fig. 1,
Fig. 28 zeigt einen Querschnitt nach Linie XXVIII-XXVIII in Fig. 27.

Further advantageous embodiments of the piston according to the invention result from the patent claims and from the drawing.

Fig. 1 shows a first embodiment of the piston according to the invention in axial section through the piston, the left half of the drawing represents a section that extends perpendicular to that of the right half of the drawing.
FIG. 2 shows a cross section through the embodiment according to FIG. 1 along line II-II in FIG. 1.
3 shows an enlarged oblique view of the control insert in this embodiment according to FIGS. 1 and 2.
FIG. 4 shows a second embodiment in the same representation as FIG. 1.
FIG. 5 is a cross section along line VV in FIG. 4.
FIG. 6 shows a third embodiment in the same representation as FIG. 1.
FIG. 7 is a cross section along line VII-VII in FIG. 6.
FIG. 8 shows a fourth embodiment in the same representation as FIG. 1.
Fig. 9 is a cross section along line IX-IX in Fig. 8.
FIG. 10 shows a fifth embodiment in the same representation as FIG. 1.
FIG. 11 is a cross section along line XI-XI in FIG. 10.
FIG. 12 shows a sixth embodiment in the same representation as FIG. 1.
FIG. 13 is a cross section along line XIII-XIII in FIG. 12.
FIG. 14 shows a seventh embodiment in the same representation as FIG. 1.
15 is a cross section along line XV-XV in FIG. 14.
FIG. 16 shows an eighth embodiment in the same representation as FIG. 1.
Fig. 17 is a cross section along line XVII-XVII in Fig. 16.
FIG. 18 shows a ninth embodiment in the same representation as FIG. 1.
19 shows a cross section along line XIX-XIX in FIG. 18,
20 shows a tenth embodiment in the same representation as FIG. 1,
21 is a plan view of the piston face of this embodiment;
22 is an enlarged oblique view of the insert of FIGS. 20 and 21,
23 shows an eleventh embodiment in the same representation as FIG. 1,
24 is a plan view of the piston face of this embodiment.
25 shows a twelfth embodiment in the same representation as FIG. 1,
Fig. 26 is a cross section along line XXVI-XXVI in Fig. 25,
27 is a thirteenth embodiment in the same representation as FIG. 1,
FIG. 28 shows a cross section along line XXVIII-XXVIII in FIG. 27.

In den Zeichnungen ist in sämtlichen Ausführungsbeispielen der Kolben mit seinem Grundmaterial mit Bezugsziffer 1, die obere Ringnut mit Bezugsziffer 2, das Bolzenauge mit Bezugsziffer 3 und die Bolzenbohrung mit Bezugsziffer 4 versehen. In allen Ausführungsbeispielen ist die Kolbenstirnfläche 5 zur Bildung eines zentralen Brennraumes 6 vertieft. Die Kolbenseitenwand hat die Bezugsziffer 8. In den Zeichnungen ist jeweils der Freischrumpfspalt, der sich unmittelbar an der der Kolbenhochachse 13 zugewandten Innenseite der Regeleinlage befindet, nicht dargestellt.In the drawings, the piston is provided with its base material with reference number 1, the upper annular groove with reference number 2, the bolt eye with reference number 3 and the pin bore with reference number 4 in all exemplary embodiments. In all exemplary embodiments, the piston end face 5 is recessed to form a central combustion chamber 6. The piston side wall has the reference number 8. In the The free shrink gap, which is located directly on the inside of the control insert facing the piston vertical axis 13, is not shown in the drawings.

Bei der in Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Einlage 7 geringfügig innerhalb (unter) der Kolbenseitenwand 8 ringförmig über den gesamten Kolbenumfang, wobei ihre Ringform an zwei einander gegenüberliegenden Segmentbereichen 9 begradigt ist, so daß sich in diesen Segmentbereichen des Kolbenkopfes die Einlage in etwas größeren Abstand von der Kolbenseitenwand 8 befindet als in ihren kreisrunden Segmentbereichen 10. In ihren kreisrunden Segmentbereichen besitzt diese Einlage im Hülsenquerschnitt L-Form, wobei der eine Querschnittsschenkel 11 sich an der Kolbenstirnfläche 5 befindet und den an der Innenseite der Einlage entstandenen nicht gezeichneten Freischrumpfspalt abdeckt. Die hülsenförmige Einlage ist also mit diesem Schenkel 11 an der Kolbenstirnfläche freigelegt. Mit dem Rand ihres anderen Schenkels 12 ist diese Einlage im genannten Segmentbereich an der Kolbenringnut 2 freigelegt.In the embodiment shown in Fig. 1-3, the insert 7 extends slightly inside (under) the piston side wall 8 in a ring over the entire piston circumference, its ring shape being straightened on two opposite segment areas 9, so that in these segment areas of the piston head The insert is located at a somewhat greater distance from the piston side wall 8 than in its circular segment regions 10. In its circular segment regions, this insert has an L-shaped sleeve cross section, one cross-sectional leg 11 being located on the piston end face 5 and the one that did not arise on the inside of the insert drawn shrink gap covers. The sleeve-shaped insert is thus exposed with this leg 11 on the piston end face. With the edge of its other leg 12, this insert is exposed in the said segment area on the piston ring groove 2.

In ihren beiden anderen einander gegenüberliegenden begradigten Segmentbereichen 9 ist die Einlage in ihrem Querschnitt von ihrer sonstigen L-Form auf einen relativ kleinen Teil des L-Schenkels 12 reduziert, und zwar derart, daß dieser Segmentbereich 9 allseits formschlüssig im Kolbengrundmaterial 1 eingebettet und verankert ist.In its two other opposite, straightened segment areas 9, the cross section of the insert is reduced from its other L-shape to a relatively small part of the L-leg 12, in such a way that this segment area 9 is embedded and anchored on all sides in the piston base material 1 .

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die begradigten und kleinen Querschnitt besitzenden Segmentbereiche 9 der Einlage 7 über den Bolzenaugen 3, während die L-förmigen Querschnitt aufweisenden Bereiche 10 der Einlage in bezug auf die Kolbenhochachse 13 um 90° dazu im Kolbenquerschnitt versetzt sind, so daß sie seitlich über den Bolzenaugen 3 liegen.In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the straightened and small cross-sectional segment regions 9 of the insert 7 are located above the bolt eyes 3, while the L-shaped cross-sectional regions 10 of the insert are 90 ° with respect to the piston vertical axis 13 Piston cross-section are offset so that they are laterally above the pin eyes 3.

Bei dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Einlage 14 die gleiche Form wie die Einlage 7 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2. Sie ist auch in gleicher Weise wie bei diesem Ausführungsbeispiel im Kolben angeordnet mit der Ausnahme, daß sich die Segmentbereiche 15 mit größerem L-förmigen Querschnitt über den Bolzenaugen 3 befinden, während die den reduzierten Querschnitt aufweisenden begradigten Segmentbereiche 16 in bezug auf die Kolbenhochachse um 90° dazu im Kolbenquerschnitt versetzt seitlich über den Bolzenaugen 3 liegen.In the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the insert 14 has the same shape as the insert 7 in the embodiment according to FIGS. 1 and 2. It is also arranged in the same manner as in this embodiment in the piston with the exception that the Segment areas 15 with a larger L-shaped cross section are located above the pin eyes 3, while the straightened segment areas 16 with the reduced cross section are offset laterally above the pin eyes 3 with respect to the piston vertical axis by 90 ° in the piston cross section.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 und 7 besitzt eine Einlage 17, die in ihren kreisförmigen, sich über den Bolzenaugen 3 befindlichen Segmentbereichen 8 U-förmigen Querschnitt hat, der mit seinem oberen den Freischrumpfspalt abdeckenden Schenkel an der Kolbenstirnfläche 5 und mit seinem unteren Schenkel an der oberen Ringnut 2 freigelegt ist. In seinen begradigten Segmentbereichen 19 ist die Einlage 17 im Querschnitt auf den unteren Teil des U-Steges beschränkt.The exemplary embodiment according to FIGS. 6 and 7 has an insert 17 which, in its circular segment regions 8 located above the bolt eyes 3, has a U-shaped cross section, the upper leg covering the free shrink gap on the piston end face 5 and the lower leg the upper ring groove 2 is exposed. In its straightened segment areas 19, the insert 17 is limited in cross section to the lower part of the U-web.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 und 9 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 6 und 7 nur dadurch, daß die Einlage 20 sich mit ihren begradigten Segmentbereichen 21 über den Bolzenaugen 3 und mit ihren dazwischen befindlichen Segmentbereichen 22 seitlich oberhalb der Bolzenaugen befindet.The embodiment according to FIGS. 8 and 9 differs from that according to FIGS. 6 and 7 only in that the insert 20 with its straightened segment areas 21 is above the bolt eyes 3 and with its segment areas 22 located therebetween laterally above the bolt eyes.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 und 11 erstreckt sich die Einlage 23 ringförmig in geringem Abstand innerhalb der Kolbenseitenwand 8 um den Kolbenumfang herum und besitzt zwei kreisrunde Segmentbereiche 24 und zwei dazwischen liegende begradigte Segmentbereiche 25. In den kreisrunden Segmentbereichen hat die Einlage 23 größeren Querschnitt als in ihren begradigten Segmentbereichen 25, wobei sie in ihrem oberen Querschnittsbereich in Richtung der Kolbenseitenwand 8 abgebogen und an dieser Kolbenseitenwand freigelegt ist. Mit ihrem unteren Rand ist sie in diesen Segmentbereichen in der Kolbenringnut 2 freigelegt. In ihren begradigten Segmentbereichen 25 hat diese Einlage 23 einen verkleinerten Querschnitt, der dem unterhalb der vorgenannten Abbiegung im kreisrunden Segmentbereich 24 befindlichen Querschnittsteil der Einlage entspricht.10 and 11, the insert 23 extends in a ring at a small distance within the piston side wall 8 around the piston circumference and has two circular segment areas 24 and two straightened segment areas 25 therebetween. The insert 23 has larger ones in the circular segment areas Cross-section than in its straightened segment regions 25, wherein in its upper cross-sectional region it is bent in the direction of the piston side wall 8 and is exposed on this piston side wall. With its lower edge, it is exposed in the piston ring groove 2 in these segment areas. In its straightened segment regions 25, this insert 23 has a reduced cross-section, which corresponds to the cross-sectional part of the insert located below the aforementioned bend in the circular segment region 24.

Die Einlage ist in allen ihren Segmentbereichen unterhalb der Kolbenstirnfläche 5 im Kolbengrundmaterial 1 gelagert und daher von diesem überdeckt. Ein zum Feuerraum hin offener Freischrumpfspalt ist daher auch bei dieser Ausführungsform nicht gegeben. In ihren begradigten Segmentbereichen 25 liegt die Einlage vom Kolbengrundmaterial vollständig umgeben innerhalb der Kolbenseitenwand und ist auch nicht an einer Kolbenringnut freigelegt.The insert is supported in all of its segment areas below the piston face 5 in the piston base material 1 and is therefore covered by this. A free shrink gap open to the combustion chamber is therefore not provided in this embodiment either. In its straightened segment regions 25, the insert lies completely surrounded by the piston base material within the piston side wall and is also not exposed on a piston ring groove.

Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die allseitig im Kolbengrundmaterial 1 eingebetteten begradigten Segmentbereiche 25 der Einlage 23 oberhalb der Bolzenaugen 3, während die freigelegten Segmentbereiche 24 in bezug auf die Kolbenhochachse 13 um 90° dazu im Kolbenquerschnitt versetzt sind.In this exemplary embodiment, the straightened segment regions 25 of the insert 23 embedded on all sides in the piston base material 1 are located above the bolt eyes 3, while the exposed segment regions 24 are offset by 90 ° with respect to the piston vertical axis 13 in the piston cross section.

Bei dem in Fig. 12 und 13 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Einlage 26 gleiche Form wie die Einlage 23 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 und 11. Sie ist jedöch so in der Kolbenkrone angeordnet, daß sich ihre freigelegten kreisförmigen Segmentbereiche 27 über den Bolzenaugen 3 befinden.In the embodiment shown in FIGS. 12 and 13, the insert 26 has the same shape as the insert 23 in the embodiment according to FIGS. 10 and 11. However, it is arranged in the piston crown in such a way that its exposed circular segment regions 27 are located above the bolt eyes 3 .

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 und 15 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 10 und 11 nur dadurch, daß die Einlage 28 in ihren ringförmigen Segmentbereichen 29 noch einen unterhalb der oberen Kolbenringnut 2 befindlichen, diese Nut armierenden Querschnittsteil 30 besitzt, der ebenso wie der obere Querschnittsteil 31 mit den begradigten Segmentbereichen 32 verbunden ist.The exemplary embodiment according to FIGS. 14 and 15 differs from that according to FIGS. 10 and 11 only in that the insert 28 in its annular segment regions 29 still has a cross-section part 30 located below the upper piston ring groove 2, which reinforces this groove, which, like the one Upper cross-sectional part 31 is connected to the straightened segment areas 32.

Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die ringförmigen Segmentbereiche 29 der Einlage 28 mit ihrem vollen Querschnitt seitlich oberhalb der Bolzenaugen 3, während die begradigten kleinen Querschnitt besitzenden Segmentbereiche 32 über den Bolzenaugen 3 liegen. Es ist aber auch eine umgekehrte Lage der verschiedenartigen Segmentbereiche 28,32 möglich.In this exemplary embodiment, the ring-shaped segment regions 29 of the insert 28 are located with their full cross section laterally above the bolt eyes 3, while the straightened small cross section segment regions 32 lie above the bolt eyes 3. However, an inverted position of the different segment regions 28, 32 is also possible.

Auch beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 und 17 ist die Regeleinlage 33 nicht an der Kolbenstirnfläche 5 sondern an der Kolbenseitenwand 8 freigelegt, wodurch eine Abdeckung des Freischrumpfspaltes gegenüber dem Feuerraum durch das Kolbengrundmaterial 1 gegeben ist. Die Einlage ist in zwei einander gegenüberliegenden, sich über den Bolzenaugen 3 befindlichen Segmentbereichen 34 im Querschnitt U-förmig ausgebildet, wobei die Ränder der U-Schenkel an der Kolbenseitenwand 8 freigelegt sind. Der untere U-Schenkel ist auch an der oberen Kolbenringnut 2 freigelegt.16 and 17, the control insert 33 is not on the piston end face 5 but on the piston side wall 8 exposed, whereby the shrink gap is covered with respect to the combustion chamber by the piston base material 1. The insert is U-shaped in cross-section in two opposite segment areas 34 located above the bolt eyes 3, the edges of the U-legs being exposed on the piston side wall 8. The lower U-leg is also exposed on the upper piston ring groove 2.

In den beiden anderen Segmentbereichen 35, die sich seitlich oberhalb der Bolzenaugen 3 befinden, ist die Einlage 33 in ihrem Querschnitt etwa auf die untere Querschnittshälfte der beiden anderen Segmentbereichen 34 reduziert, so daß die Einlage in diesen Segmentbereichen nur mit ihrem unteren Rand in der Kolbenringnut 2 und an der Kolbenseitenwand 8 freigelegt ist.In the other two segment areas 35, which are located laterally above the bolt eyes 3, the insert 33 is reduced in its cross section approximately to the lower cross-sectional half of the other two segment areas 34, so that the insert in these segment areas only with its lower edge in the piston ring groove 2 and is exposed on the piston side wall 8.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 18 und 19 unterscheidet sich nur dadurch von derjenigen der Fig. 16 und 17, daß die Einlage 36 mit ihrem U-förmigen Querschnitt besitzenden Segmentbereich 37 seitlich oberhalb der Bolzenaugen 3 und mit ihrem etwa auf die untere Hälfte dieses U-Querschnitts reduzierten Querschnitt besitzenden Segmentbereichen 38 sich über den Bolzenaugen 3 befindet.The embodiment according to FIGS. 18 and 19 differs from that of FIGS. 16 and 17 only in that the insert 36 with its U-shaped cross-section has segment region 37 laterally above the bolt eyes 3 and with its approximately on the lower half of this U- Cross-section reduced cross-section segment areas 38 is located above the bolt eyes 3.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 bis 22 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 16 und 17 nur dadurch, daß dort die Einlage 39 in den beiden über den Bolzenaugen 3 befindlichen Segmentbereichen S-Form hat, wobei der obere S-Schenkel 40 an der Kolbenstirnfläche 5 freigelegt ist und der untere S-Schenkel an der Kolbenseitenwand 8 und in der oberen Ringnut 2. In ihren beiden anderen Segmentbereichen 41, die sich seitlich oberhalb der Bolzenaugen 3 befinden, ist die Einlage 39 im Querschnitt auf die untere Hälfte des in den vorgenannten Segmentbereichen gegebenen S-förmigen Querschnitts reduziert, so daß dort die Einlage nur an der Kölbenseitenwand 8 und in der oberen Ringnut 2 freigelegt ist. Der Freischrumpfspalt ist somit in den beiden Segmentbereichen mit S-Querschnitt durch den oberen S-Schenkel 40 und in den beiden anderen Segmentbereichen 41 durch das Kolbengrundmaterial 1 überdeckt.The exemplary embodiment according to FIGS. 20 to 22 differs from that according to FIGS. 16 and 17 only in that the insert 39 there has an S-shape in the two segment areas located above the bolt eyes 3, the upper S-leg 40 on the piston end face 5 is exposed and the lower one S-leg on the piston side wall 8 and in the upper annular groove 2. In its two other segment areas 41, which are located laterally above the bolt eyes 3, the insert 39 is in cross-section to the lower half of the S-shaped cross-section given in the aforementioned segment areas reduced so that the insert is only exposed on the Cologne side wall 8 and in the upper annular groove 2. The free shrink gap is thus covered in the two segment areas with an S cross-section by the upper S-leg 40 and in the two other segment areas 41 by the piston base material 1.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 23 und 24 besitzt eine gleichgestaltete Einlage 42 wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 und 21, jedoch ist diese Einlage mit ihren vollen S-Querschnitt besitzenden Segmentbereichen 43 seitlich über den Bolzenaugen 3 angeordnet, während ihre reduzierten Querschnitt besitzenden Segmentbereiche 44 sich direkt über den Bolzenaugen 3 befinden.The exemplary embodiment according to FIGS. 23 and 24 has an insert 42 of the same design as the exemplary embodiment according to FIGS. 20 and 21, but this insert, with its segment areas 43 having a full S cross section, is arranged laterally above the bolt eyes 3, while its reduced cross-section segment regions 44 are located directly above the bolt eyes 3.

Fig. 25 und 26 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Einlage 45 in den beiden seitlich oberhalb der Bolzenaugen 3 liegenden Segmentbereichen 46 U-förmigen Querschnitt hat und mit ihrer gesamten Außenseite an der Kolbenseitenwand 8 freigelegt ist, wobei ihr oberer U-Schenkel an der Kolbenstirnfläche und ihr unterer U-Schenkel an der oberen Ringnut 2 freigelegt sind.25 and 26 show an embodiment in which the insert 45 has a U-shaped cross-section in the two segment regions 46 lying laterally above the bolt eyes 3 and is exposed with its entire outside on the piston side wall 8, its upper U-leg on the Piston face and its lower U-leg are exposed on the upper annular groove 2.

Ihre über den Bolzenaugen 3 befindlichen Segmentbereiche 47 liegen in einem gewissen Abstand innerhalb der Kolbenseitenwand 8. In diesen Segmentbereichen hat die Einlage rechteckförmigen Querschnitt von geringeren Abmessungen als in ihren anderen Segmentbereichen 46, wobei sie allseitig vom Kolbengrundmaterial 1 umgeben und damit in diesem fest verankert ist.Its segment areas 47 located above the bolt eyes 3 lie at a certain distance within the piston side wall 8 The segments have a rectangular cross-sectional insert of smaller dimensions than in their other segment regions 46, whereby they are surrounded on all sides by the piston base material 1 and are thus firmly anchored in this.

Die wesentliche angestrebte Wirkung dieser Art von Einlage beruht auf dem Freischrumpfen des an der Innenseite der Einlage befindlichen Kolbengrundmaterials. Die zweite Wirkung einer derartigen Regelhülse, nämlich die an der Außenseite der Regeleinlage befindliche Schicht des Kolbengrundmaterials durch Aufschrumpfen auf die Einlage bei niedrigeren Temperaturen unter Zugspannung zu setzen und damit einen Teil ihrer Ausdehnung bei anschließender Erwärmung im Motorbetrieb unwirksam zu machen, wird bei der letztgenannten Ausführungsform dahingehend verbessert, daß die außenliegende Schicht des Kolbengrundkörpers segmentartig völlig entfällt und im Hinblick auf das Spiel zwischen Kolbenkrone und Zylinderwand im Motor dort nur noch der geringere Ausdehnungskoeffizient des Materials der Regeleinlage wirksam wird.The main desired effect of this type of insert is based on the shrinking of the piston base material located on the inside of the insert. The second effect of such a regulating sleeve, namely placing the piston base material layer on the outside of the regulating insert by shrinking onto the insert at lower temperatures under tensile stress and thus rendering some of its expansion ineffective during subsequent engine operation becomes ineffective in the latter embodiment improved to the effect that the outer layer of the piston base body is completely eliminated in segments and only the lower coefficient of expansion of the material of the control insert is effective there with regard to the play between the piston crown and the cylinder wall in the engine.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 27 und 28 besitzt die Regeleinlage 48 zwei kreisförmig gebogene Segmentbereiche 49, in welchen die Einlage rechteckigen Querschnitt hat und mit ihrer gesamten Außenseite an der Kolbenaußenfläche 8 freigelegt ist. Ferner besitzt sie zwei über den Bolzenaugen 3 befindliche Segmentbereiche 50, ebenfalls von rechteckigem Querschnitt, die sich geradlinig innerhalb der Kolbenseitenwand 8 erstrecken und allseitig vom Kolbengrundkörper umgeben und damit in diesem fest verankert sind.In the exemplary embodiment according to FIGS. 27 and 28, the control insert 48 has two circularly curved segment regions 49, in which the insert has a rectangular cross section and its entire outside is exposed on the piston outer surface 8. Furthermore, it has two segment areas 50, also of rectangular cross-section, located above the bolt eyes 3, which extend in a straight line within the piston side wall 8 and are surrounded on all sides by the piston base body and are thus firmly anchored in the latter.

Die obere Ringnut 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer zusätzlichen im Ringquerschnitt U-förmigen Armierung 51 versehen, wie sie nach dem Stand der Technik insbesonders bei Kolben für Dieselmotoren üblich ist.In the exemplary embodiment shown, the upper annular groove 2 is provided with an additional reinforcement 51 with a U-shaped cross section, as is customary in the prior art, in particular for pistons for diesel engines.

Claims

1. Piston made of light metal for internal combustion engines with a self-contained, sleeve-shaped insert which controls its thermal expansion and is made of a metal of lower thermal expansion than the piston base material, which insert extends over the entire piston circumference and is exposed on at least one edge or one side of the piston material (ie reaching up to a piston surface), the piston material being shrunk free behind the insert to form a gap delimited by the insert on one side, characterized in that the insert (7, 14, 17, 20, 23, 26, 28, 33 , 36, 39, 42, 45, 48) is arranged in the solid material of the piston crown and has at least one edge or side that only in certain segment areas (10, 15, 18, 22, 24, 27, 29, 34, 37, 40, 43, 45, 49) of the piston circumference is exposed, but in the other segment areas lies below the piston surface (5, 8), ie completely covered by the piston base material (1) and into it em is positively anchored, and that the insert, insofar as it is exposed on the piston end face (5), is provided with a bevel covering the depth of the free shrink gap.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the insert on the piston side wall (8) is exposed (Fig. 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 27, 28).

3. Piston according to claim 2, characterized in that the sleeve-shaped insert is exposed in certain segments with her entire outside to the piston side wall (Fig. 25).

4. Piston according to claim 2, characterized in that the sleeve-shaped insert has a kink in the sleeve cross-section and is exposed with this to the piston side wall (8) (Fig. 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 23) .

5. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert with its one edge to the piston end face (5) and with its other edge to the piston side wall (8) is exposed.

6. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert with its lower edge to a piston ring groove (2) is exposed (Fig. 1, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 23, 25).

7. Piston according to claim 1, characterized in that the surface of the annular groove (2) exposed edge of the sleeve-shaped insert is exposed over the entire circumference of the annular groove (Fig. 16 to 24).

8. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert in two mutually perpendicular, the piston axis (13) containing cuts is each symmetrically shaped with respect to the piston axis.

9. Piston according to claim 1, characterized in that the exposed segment areas of the sleeve-shaped insert are arranged asymmetrically with respect to the piston axis (13).

10. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert is exposed segment-like only at a single point of the piston circumference.

11. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert is exposed at two opposite segment areas and in each case lies between the piston surface (5,8).

12. Piston according to claim 11, characterized in that the segment areas of the sleeve-shaped insert lying below the piston surface (5, 8) are located essentially above the pin eyes (3).

13. Piston according to claim 12, characterized in that the cut-out segment areas of the sleeve-shaped insert are substantially above the bolt eyes (3).

14. Piston according to claim 11, characterized in that the respectively opposite exposed segment areas and the segment areas lying below the piston surface (5, 8) each extend over approximately 1/4 of the sleeve circumference of the insert.

15. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert in its segment areas lying below the surface (5, 8) of the piston has smaller dimensions in the sleeve cross-section than in its exposed segment areas.

16. Piston according to claim 1, characterized in that the exposed segment areas of the sleeve-shaped insert with respect to the segment areas completely enclosed by the piston base material (1) deviate from a circular course in the axial and / or radial direction.

17. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert is approximately circular in its exposed segment areas and its segment areas located below the piston surface is approximately rectilinear.

18. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert or the like in its exposed segment areas in the ring cross section L, U or S shape. has, with a part of the L, U or S shape not being formed in its unexposed segment areas.

19. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert is formed from sheet steel.

20. Piston according to claim 1, characterized in that the sleeve-shaped insert is made of a cast iron alloy.

21. Piston according to claim 1, characterized in that the surface of the sleeve-shaped insert with a corrugation, e.g. in the form of a waffle pattern.