EP0327595B1 - Piston en alliage leger monobloc de faible poids et a faible frottement pour moteurs a combustion interne - Google Patents

Piston en alliage leger monobloc de faible poids et a faible frottement pour moteurs a combustion interne Download PDF

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EP0327595B1
EP0327595B1 EP88900342A EP88900342A EP0327595B1 EP 0327595 B1 EP0327595 B1 EP 0327595B1 EP 88900342 A EP88900342 A EP 88900342A EP 88900342 A EP88900342 A EP 88900342A EP 0327595 B1 EP0327595 B1 EP 0327595B1
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Emil Ripberger
Jürgen Ellermann
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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity

Definitions

  • the invention relates to a light metal piston according to the preamble of patent claim 1.
  • the object of the invention is to significantly reduce the running noise in the aforementioned known light and low-friction pistons, each with extremely short shaft lengths, in particular in the start-up and part-load range.
  • the ring inserts in the piston head proposed in claims 19-21 differ from similar inserts described in EP-A 0 210 649 particularly in that they do not, as in that prior art, in the top land area above the ring grooves, but only in the radial area are arranged within the ring grooves. As a result, they can act directly on the area of the ring webs on which the tightest possible running play should be predeterminable, even when cold, by restricting the thermal expansion.
  • the ring webs between the piston ring grooves 2, 3, 4 and the shaft area F in the case of a piston that is warm from engine operation have approximately the same running clearance with respect to the cylinder raceway.
  • the exact course of the piston outer surface is shown in Fig. 4.
  • the values relate to a particularly advantageous embodiment of the piston shown in FIGS. 1-3 for use in a cast iron cylinder.
  • the piston outer shape in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR) is particularly important, to which the running cycles specified in the claims are based.
  • the piston When the engine is warm, the piston simultaneously slides in the area F and on the first and second ring land on the cylinder barrel, i.e. the piston is guided in these areas.
  • This piston guidance which takes place in two axially separated areas, is extremely important for a low-noise piston run. Because in order to achieve low-noise running, the piston must be guided in an axially sufficiently high area in such a way that piston tilting triggered by the connecting rod deflection can be largely avoided. In the case of flat pistons with correspondingly low stem heights, this requirement usually presents an unsolvable problem.
  • the invention remedies that the ring lands are used for piston guidance. This takes place in that the cold play there, in contrast to the previously known prior art, is designed such that the warm play there corresponds approximately to that warm play in the area F.
  • the shaft areas lying above and below the piston run area F are tapered back to the extent shown in FIG. 4 in order to bring about a hydrodynamic floating of the piston shaft in these areas.
  • the piston outer shape is entered in the pressure-counter pressure direction and in the pin direction.
  • the areas in between of the outer piston shape continuously merge into the dimensions of those two main directions.
  • a further improvement is brought about by the introduction of a strip-shaped insert in the form of either a closed steel ring 9 or a pair of ring segment insert 10 in the piston head in the region radially behind the ring grooves 2, 3, 4.
  • a strip-shaped insert in the form of either a closed steel ring 9 or a pair of ring segment insert 10 in the piston head in the region radially behind the ring grooves 2, 3, 4.
  • the insert or inserts 9, 10 is or are essentially limited to the area below the top land area. In the direction of the shaft end, the inserts 9, 10 can each protrude from the piston crown material. This is useful, because in this way the inserts can be fixed relatively easily in the mold used to manufacture the piston.
  • FIG. 6 shows a different course of the ring 9 in the area of the hubs 6 of the piston.
  • the ring 9 runs within the hubs 6 in the vicinity of the outer circumference, while in FIG. 6b it runs straight through the hub area in a radially inner area in a chord-like manner.
  • ring segments 10 are introduced into the piston head regions lying between the hubs 6, these ring segments 10 reaching into the hubs 6 in each case.
  • the ring segments 10 are also connected in one piece to the shaft inserts 7.
  • the thermal expansion-inhibiting effect of the inserts 9, 10 is based essentially on the fact that the piston base material lying radially on the outside of the inserts shrinks onto the inserts during the production of the piston, for example when it is cast, when the piston material cools down.
  • the shrinkage stress must first be reduced before an actual expansion can take place.
  • a spacing of the inserts 9, 10 from the piston crown surface is necessary in order to allow the heat to flow from the piston crown to the piston rings.
  • the radial slot between the piston head and the shaft is favorable for low shaft clearances.
  • a cold clearance of 1.5 per mille and on the upper ring land can be made in the piston head on the lower ring land (below the ring groove 3) achieve that of 2.2 per thousand based on the diameter of the piston.
  • the top land of the piston head is not used to guide the piston.

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Abstract

Il convient de réduire le bruit de fonctionnement d'un tel piston. La solution est un piston ayant les dimensions suivantes: a) L = (0,45-0,65) D; b) H = (0,25-0,4) D; c) A = (0,3-0,4) D; d) A supérieur ou égal à B; e) T = (0,45-0,8) D; f) les listels de piston entre les gorges annulaires (2, 3, 4) et la région de tige à jeu de fonctionnement étroit présentent, dans le cas d'un piston chaud en service, à peu près le même jeu par rapport à la portée de cylindre. Une amélioration supplémentaire consiste à mettre en place une chemise annulaire dans la tête de piston dans la région radiale derrière les gorges annulaires, ladite chemise étant constituée d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du matériau de base du piston. Dans un moteur à combustion interne chaud en service, le piston présente, dans la région de ses listels, un jeu qui, dans le sens pression/contre-pression, n'atteint environ que le triple ou le quintuple du jeu dans la région de jeu très étroite de la tige de piston.

Claims (22)

1. Piston en alliage léger monobloc, de faible poids et à faible frottement dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, piston sur lequel les gorges des segments sont exclusivement disposées au-dessus des alésages des bossages et sur lequel a)
H = (0,25-0,4) D
b) A supérieure ou égale à B
c) T = (0,45-0,8) D,
caractérisé au moyen des caractéristiques suivantes:
d) L = (0,45-0,65) D
e) A = (0,3-0,4) D
f) C supérieure ou égale à 0,1 A
g) E supérieure ou égale à 0,1 A
h) F supérieure ou égale à 0,25 A et plus petit que 0,75 A
i) les surfaces extérieures du piston, qui sont directement ou indirectement, au moyen d'un film lubrifiant, en liaison active avec la portée du cylindre du moteur à combustion interne se trouvent sur une surface cylindrique avec superposition d'une ovalité, dont le plus grand axe de l'ovalité s'étend dans la direction de pression-contre.pression (DR-GDR) et le petit axe de l'ovalité dans la direction de l'axe du piston;
j) le jeu à froid, pour une matière de cylindre en métal ferreux constituant la contre-portée, comporte des valeurs se situant approximativement entre (0,0001-0,0006) D dans la partie de la région F du corps avoisinant la direction de pression-contre-pression, si des insertions (7) de métal en forme de bandes interviennent, qui régulent la dilatation sur les surfaces internes du corps de piston situées entre les bossages (6) de l'axe du piston et qui contrarient la dilatation du corps en direction de la pression-contre-pression lors de l'échauffement du piston, ou bien des valeurs de situant approximativement entre (0,0004.-0,0001 ) D en l'absence de telles bandes de contrainte;
k) les jeux en marche au niveau des nervures circulaires (entre les gorges des segments (2, 3,4) et dans la région F du corps ayant le plus faible jeu en marche, par rapport à la surface de (contre) portée du cylindre, présentent, lorsque le piston est échauffé par le fonctionnement du moteur, une différence entre eux qui est d'un facteur cinq au maximum, afin de procurer au piston un guidage simultané sur les nervures circulaires et dans la zone F du corps de piston, avec
L = longueur maximale du piston
D = diamètre maximal du piston
H = hauteur de compression
A = hauteur moyenne du corps de piston en-dessous de la gorge circulaire la plus basse dans une zone périphérique, ayant une hauteur de corps de piston à peu près égale, et s'étendant sur 45 degrés au moins sur chacun des deux côtés portants du piston (zone périphérique entre les bossages (6) de l'axe de piston).
B = hauteur maximale du corps en dehors des zones de corps ayant la hauteur A,
T = distance mutuelle diamétrale des extrémités d'alésages des bossages d'axes situées extérieurement dans le sens radial.
C = zone de hauteur axiale à l'extrémité supérieure du corps dans la zone du corps présentant la hauteur A, qui est interposée en forme de cône dans le sens radial, au moins dans une zone du corps située en direction de la pression-contre-pression (DR-GDR) pour la constitution d'un coin de film lubrifiant hydrodynamique,
E = zone axiale à l'extrémité inférieure du corps dans la zone du corps présentant la hauteur A, qui est interposée en forme de cône dans le sens radial, au moins dans une zone du corps située en direction de la pression-contre-pression (DR-GDR) pour la constitution d'un coin de film lubrifiant hydrodynamique.
F = hauteur axiale d'une zone située au moins en direction de la pression-contre-pression (DR-GDR) dans la zone du corps présentant la hauteur A entre les zones du corps définies par les hauteurs C et E.
2. Piston selon la revendication 1 caractérisé au moyen des caractéristiques:
a) L = (0,05-0,6) D
b) H = (0,25―0,36) D
c) A = (0,32 0,38) D
3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé au moyen des caractéristiques:
a) C supérieure ou égale à 0,12 A
b) E supérieure ou égale à 0,12 A
4. Piston selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé au moyen des caractéristiques
a) C supérieure ouégale à 0,15 A
b) E supérieure ou égale à 0,15 A
c) F supérieure ou égale à 0,25 A, et inférieure ou égale à 0,65 A
5. Piston selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé au moyen des caractéristiques:
a) C supérieure ou égale à 0,18 A
b) E supérieure ou égale à 0,18 A
c) F supérieure ou égale à 0,25 A, et inférieure ou égale à 0,6 A.
6. Piston selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les jeux en marche au niveau des nervures circulaires (entre les gorges des segments (2,3,4) et dans la région du corps de piston ayant le plus faible jeu en marche, par rapport à la portée du cylindre présentent, lorsque le piston est échauffé par le fonctionnement du moteur, des différences entre eux d'un facteur quatre au maximum.
7. Piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que les jeux en marche diffèrent entre eux au maximum par un facteur trois.
8. Piston selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le corps (5) du piston présente, à l'extrémité inférieure, une forme extérieure cylindrique fermée, sur laquelle le jeu à froid varie dans le sens axial et sur la périphérie, mais ne dépasse en aucun endroit une valeur de 0,01 D environ.
9. Piston selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le corps (5) est fendu radialement, en-dessous de la gorge circulaire la plus basse dans ses zones périphériques situées entre les bossages (6) de l'axe du piston.
10. Piston selon l'une des revendications précèdent, caractérisé en ce que ce piston est pourvu de gorges circulaires (2, 3, 4) pour le logement de deux segments de compression (ou de feu) et d'un segment racleur.
11. Piston selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'il est introduit dans la zone de la partie de tête, située radialement derrière les gorges circulaires entre les bossages (6), en direction de la périphérie, des insertions (9, 10) en forme de bandes réalisées en une matière dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui de la matière de base du piston.
12. Piston selon la revendication 11, caractérisé en ce que les insertions (9, 10) en forme de bandes constituent un anneau fermé (9).
13. Piston selon l'une des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que les insertions (9, 10) se trouvent à une certaine distance de la surface du fond du piston.
14. Piston en alliage léger monobloc de faible poids et à faible frottement dans un cylindre d'un moteur à combustion interne, piston sur lequel les gorges des segments sont exclusivement disposées au-dessus des alésages des bossages, et sur lequel:
a) H = (0,25-0,4) D
b) A supérieure ou égale à B
c) T = (0,45-0,8) D,
piston caractérisé au moyen des caractéristiques suivantes:
d) L = (0,45-0,65) D
e) A = (0 2.-0,4) D,
f) C supérieure ou égale à 0,1 A
g) E supérieure ou égale à 0,1 A
h) F supérieure ou égale à 0,25 A et inférieure à 0,75 A
i) les surfaces extérieures du piston, qui sont directement ou indirectement, au moyen d'un film lubrifiant, en liaison active avec la portée du cylindre du moteur à combustion interne se trouvent sur une surface cylindrique avec superposition d'une ovalité, dont le plus grand axe de l'ovalité s'étend dans la direction de pression-contre-pression (DR-GDR) et le petit axe de l'ovalité dans la direction de l'axe du piston;
j) le jeu à froid, pour une matière de cylindre en métal léger constituant la contre-portée, comporte des valeurs se situant approximativement entre (0-0,0004) D dans la partie de la région F portante du corps avoisinant la direction de pression-contre-pression, si interviennent des insertions (7) de métal en forme de bandes, qui régulent la dilatation sur les surfaces internes du corps situées entre les portées (6) de l'axe du piston et qui contrarient la dilatation du corps de piston en direction de la pression-contre-pression, ou bien des valeurs se situant entre (0,0001-0,0005 D en l'absence de tel es bandes de contrainte;
k) les jeux en marche au niveau des nervures circulaires (entre les gorges des segments (2, 3, 4) et dans la région F du corps ayant le plus faible jeu en marche, par rapport à la surface de (contre) portée du cylindre, quand le piston est échauffé par le fonctionnement du moteur, diffèrent au plus entre eux d'un facteur cinq afin de procurer au piston un guidage simultané sur les nervures circulaires et dans la zone F du corps de piston, avec
L = longueur maximale du piston
D = diamètre maximal du piston H = hauteur de compression
A = hauteur moyenne du corps de piston en-dessous de la gorge circulaire la plus basse dans une zone périphérique, ayant une hauteur de corps à peu près égale, et s'étendant sur 45 degrés au moins sur chacun des deux côtés portants du piston (zone périphérique entre les bossages (6) de l'axe de piston).
B = hauteur maximale du corps en dehors des zones de corps ayant la hauteur A.
T = distance mutuelle diamétrale des extrémités d'alésages des bossages d'axes situées extérieurement dans le sens radial.
C = zone de hauteur axiale à l'extrémité supérieure du corps dans la zone du corps présentant la hauteur A, qui est interposée, en forme de cône dans le sens radial, au moins dans une zone du corps située en direction de la pression- contrepression (DR-GDR) pour la constitution d'un coin.de film lubrifiant hydrodynamique.
E = zone axiale à l'extrémité inférieure du corps dans la zone du corps présentant la hauteur A, qui est interposée, en forme de cône dans le sens radial, au moins dans une zone du corps située en direction de la pression-contre-pression (DR-GDR) pour la constitution d'un coin de film lubrifiant hydrodynamique.
F = hauteur axiale d'une zone située au moins en direction de la pression-contre-pression (DR-GDR) dans la zone du corps présentant la hauteur A entre les zones du corps définies par les hauteurs C et E.
15. Piston selon la revendication 14, caractérisé en ce que les jeux en marche diffèrent entre eux au plus d'un facteur trois.
16. Piston selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que le corps (5) du piston présente à l'extrémité inférieure une forme extérieure cylindrique fermée, sur laquelle le jeu à froid varie dans le sens axial et sur la périphérie, mais ne dépasse en aucun endroit une valeur de 0,010 environ.
17. Piston selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que le corps (5) est fendu radialement en-dessous de la gorge circulaire la plus basse dans ses zones périphériques situées entre les bossages (6) de l'axe du piston.
18. Piston selon l'une des revendications 14-18, caractérisé en ce que celui-ci est pourvu de gorges circulaires (2, 3, 4) pour loger deux segments de compression (ou de feu) et un segment racleur.
19. Piston selon l'une des revendications 14 à 18, caractérisé en ce qu'il est introduit dans la zone de la partie de tête située radialement derrière les gorges circulaires entre les bossages (6), en direction de la périphérie, des insertions (9, 10) en forme de bandes réalisées en une matière dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui de la matière de base du piston.
20. Piston selon la revendication 19, caractérisé en ce que les insertions (9, 10) en forme de bandes constituent un anneau fermé (9).
21. Piston selon la revendication 20, caractérisé en ce que les insertions (9, 10) se trouvent à une certaine distance de la surface du fond du piston.
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