EP0285205B1 - Kolben mit Flüssigkeitskühlung - Google Patents

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EP0285205B1
EP0285205B1 EP88200507A EP88200507A EP0285205B1 EP 0285205 B1 EP0285205 B1 EP 0285205B1 EP 88200507 A EP88200507 A EP 88200507A EP 88200507 A EP88200507 A EP 88200507A EP 0285205 B1 EP0285205 B1 EP 0285205B1
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    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
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    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
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    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a piston with liquid cooling for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • two-part pistons consisting of a lower and upper part, which can be manufactured in different material combinations.
  • Cast or forged steel is a suitable material for the upper part, as is nodular cast iron with its strength values similar to those of steel.
  • the lower part can consist of a cast or forged aluminum piston alloy or also of gray cast iron. Both parts are preferably clamped together using expansion screws.
  • these pistons require cooling, preferably by means of a cooling oil.
  • signs of wear can be observed disadvantageously between the upper and lower parts of the pistons on the bearing surfaces of the support collars, which occur particularly in the outer region of the bearing surfaces and around the expansion screws.
  • This wear is caused by radial and axial movements of the bearing surfaces of the two piston components lying opposite one another in the connecting plane. These movements, which are caused by the carding effect caused by the deformation of the upper piston part as a result of temperature and gas pressure, not only produce wear, but also involve the risk of deformation of the lower piston part with subsequent crack formation and material abrasion.
  • Different solutions are already available to avoid these disadvantages, e.g. by DE-PS 27 58 378 and EP-PS 7661 provided.
  • the transition area 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 inclines outwards and slopes towards the parting plane, is rounded with a radius of 30 to 60 mm.
  • FIG. 1 shows a detail of the piston designed according to the invention along the planes including the piston axis and the pin axis direction on the one hand and the piston axis and the direction perpendicular to the pin axis direction on the other hand in an axionometric representation.
  • FIG. 2 shows a half of a section through the upper part of the piston along the plane comprising the piston axis and the pin axis direction.
  • the piston is made of 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 sinew 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) which are mounted on support collars (8, 9) in their plane of separation perpendicular to the piston axis.
  • the expansion screws are led through the support collars (8,9) and the contact surfaces (10,11).
  • the ring section (4) has two ring grooves (15, 16) for compression rings and one ring groove (17) for an oil ring.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that by a comparatively significant reduction in the compression height and thus the overall height of the piston built significant weight reduction is achieved.
  • this weight reduction shows no adverse effects, since the arrangement of the blind holes achieves optimal cooling of the piston crown and ring section and, on the other hand, the necessary elasticity with good fatigue strength through the arrangement and design of the empty groove in the area of the parting plane and the associated circular and behind the Ring section extending section is reached.
  • By making the blind holes a comparatively large cooling surface is generated.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben mit Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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 7661, vorgesehen.
  • 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.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale.
  • 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.
  • 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 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 Fig. 2 ist eine Hälfte eines Schnitts durch das Oberteil des Kolbens entlang der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung umfassenden Ebene dargestellt.
  • 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 Olring 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 Ubergangsbereich (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.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine vergleichsweise deutliche Verringerung cer 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.

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.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Sacklochbohrungen (20,22) 10 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 45 mm, beträgt.
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.
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.
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.
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