EP0870103A1 - Tauchkolben mit kühlkanal - Google Patents

Tauchkolben mit kühlkanal

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EP0870103A1
EP0870103A1 EP96945881A EP96945881A EP0870103A1 EP 0870103 A1 EP0870103 A1 EP 0870103A1 EP 96945881 A EP96945881 A EP 96945881A EP 96945881 A EP96945881 A EP 96945881A EP 0870103 A1 EP0870103 A1 EP 0870103A1
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cooling channel
gap
piston
light metal
sheet
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Martin RÜHLE
Fritz Warth
Heinz Wimmer
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Mahle GmbH
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Mahle GmbH
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    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
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    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
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    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the invention relates to a cast light metal piston for internal combustion engines with a cooling channel provided in the piston head.
  • a generic piston is known from DE-PS 37 21 021.
  • the annular cooling channel tube consists of an aluminum-treated or aluminum-treated material with high thermal conductivity.
  • the butt ends of the pipe are joined together by a welding process in order to obtain a perfect seal. Due to the aluminizing of the cooling duct pipe and the welding of the pipe ends, however, this represents an expensive solution.
  • the invention is concerned with the problem of improving the heat transfer between the piston material and the cooling channel and reducing the manufacturing costs of the cooling channel. This object is achieved by the features of the characterizing part of patent claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • a gap is formed between the piston base material and the sheet metal due to the different coefficients of thermal expansion. Due to the at least partially circumferential gap in the cooling channel, the gap between the cooling channel and the piston base material fills with cooling oil. This oil-filled gap leads to a significantly better heat transfer than an air-filled gap.
  • the sheet metal cooling duct according to the invention is that it can be produced cheaply in a sheet metal forming process and that the costs for the pretreatment of the cooling duct and for the sealing of the cooling duct are eliminated.
  • the cooling duct can be shaped by deep drawing with subsequent flanging.
  • the coefficient of thermal expansion of the cooling channel material is advantageously between 10 and 17. 10 1 / K, is therefore significantly lower than that of the piston base material.
  • the width of the at least partially circumferential gap in the cooling channel is preferably between 0.08 and 0.5 mm with a particularly preferred range from 0.08 to 0.2 mm.
  • the width of the gap is to be dimensioned such that the melt cannot flow through the gap into the interior of the cooling channel when the cooling channel is cast around it.
  • the sealing function can be further improved in that, in addition to a relatively narrow gap width, the butt ends of the sheet lie overlapping one another.
  • Fig. 1 shows a half section of the piston according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through the cooling duct according to the invention, with a blunt joint.
  • This cooling channel 6 is produced by a sheet metal forming process.
  • two holding pins 8 mounted in the casting tool are used (shown offset in FIG. 1). These retaining pins 8 are arranged with respect to the circumference of the cooling channel 6 and connected to the latter in each case via a punched-out hole 9 in such a way that after the light-metal piston 1 has been produced and these retaining sleeves 8 have been removed, an inlet and outlet channel for the cooling liquid has been created .
  • the cooling channel 6 has a gap 7 on its upper side (not shown to scale, but enlarged) through which the interior of the cooling channel 6 is connected to the surroundings and through which in the operating state cooling oil can get into the gap between the outer wall of the duct and the piston base material, whereby the heat transfer between the base material and the cooling duct is considerably improved.
  • the penetration of the oil into the gap between the cooling channel and the base material is reduced by the gap in the downward stroke the oil acting deceleration forces and the resulting pressure build-up in the oil in the gap area accelerated.
  • this gap 7 is advantageously produced by butting the two sheet ends, but can also be produced by overlapping the sheet ends.
  • the cooling oil located in this gap is then pressed back into the cooling channel 6 due to the cooling of the piston - in which the base material contracts more than the material of the cooling channel.
  • the cross section of the ring channel does not necessarily have to be circular or oval, as shown in FIGS. 1 and 2.

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Abstract

Bei einem Leichtmetallkolben mit im Kolbenkopf eingegossenem Kühlkanal aus Blech soll der Wärmeübergang zwischen Kolbenmaterial und Kühlkanal verbessert und die Herstellkosten des Kühlkanals verringert werden. Hierzu weist der Kühlkanal längs seines Umfangs zumindest teilweise einen dünnen, öldurchlässigen Spalt auf.

Description

Tauchkolben mit Kühlkanal
Die Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit einem im Kolbenkopf vorgesehe¬ nen Kühlkanal .
Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus DE-PS 37 21 021 bekannt. Dort besteht das ringförmige Kühlkanalrohr aus einem alumi¬ nierten oder alfinbehandelten Material von hoher Wärmeleit¬ fähigkeit. Die Stoßenden des Rohres werden miteinander durch einen Schweißvorgang verbunden, um eine einwandfreie Abdichtung zu erhalten. Bedingt durch das Aluminieren des Kühlkanalrohres und das Verschweißen der Rohrenden stellt dies jedoch eine teuere Lösung dar.
Es ist weiterhin bekannt, Ringe oder Spiralen aus Stahlrohr in der Gießform zu positionieren und zu umgießen. Der Nach¬ teil dieser Lösung liegt in einem behinderten Wärmeüber¬ gang. Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi¬ zienten von Stahl und Aluminium entsteht bei Betriebstempe¬ ratur ein Spalt zwischen Kühlkanal und Kolben, der den Wär¬ mefluß behindert.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, den Wärme¬ übergang zwischen Kolbenmaterial und Kühlkanal zu verbes¬ sern und die Herstellkosten des Kühlkanals zu verringern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei Betriebstemperatur bildet sich wie bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkanal aus Stahlrohr auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Spalt zwischen dem Kolbengrundmaterial und dem Blech. Bedingt durch den zumindest teilweise umlaufenden Spalt im Kühlkanal füllt sich jedoch der Spalt zwischen Kühlkanal und Kolbengrundmaterial mit Kühlöl. Dieser ölgefüllte Spalt führt zu einem wesentlich besseren Wärmeübergang als ein luftgefüllter Spalt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Blech-Kühlkanals liegt darin, daß dieser in einem Blech-Umformverfahren bil¬ lig hergestellt werden kann und daß die Kosten für die Vor¬ behandlung des Kühlkanals und für die Abdichtung des Kühl¬ kanals entfallen. Dabei kann die Formgebung des Kühlkanals durch ein Tiefziehen mit anschließendem Umbördeln erfolgen.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kühlkanal-Werkstoffs liegt vorteilhaft zwischen 10 und 17 . 10 1/K, ist also deutlich niedriger als der des Kolben-Grundwerkstoffs.
Die Breite des zumindest teilweise umlaufenden Spalts im Kühlkanal liegt vorzugsweise zwischen 0,08 und 0,5 mm mit einem besonders bevorzugten Bereich von 0,08 bis 0,2 mm. Generell ist die Breite des Spaltes so zu bemessen, daß die Schmelze beim Umgießen des Kühlkanals nicht durch den Spalt in das Innere des Kühlkanals fließen kann. Die Dichtfunkti¬ on kann noch dadurch verbessert werden, daß zusätzlich zu einer relativ engen Spaltbreite die Stoßenden des Bleches überlappend aufeinanderliegen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Halbschnitt des erfindungsgemäßen Kolbens
Fig. 2 einen Querschnitt durch den erfindungs¬ gemäßen Kühlkanal, mit stumpfem Stoß.
Ein Leichtmetallkolben 1 aus einer AlSi-Legierung mit einer Kolbenringnutanordnung 2 im Kolbenkopf 3, dessen erste Ringnut 4 mit einem Ringträger 5 bewehrt ist, weist im Be¬ reich hinter der Kolbenringnutanordnung 2 einen ringförmi¬ gen Kühlkanal 6 auf, der längs seines Umfangs einen in die¬ ser Darstellung nicht erkennbaren, dünnen, öldurchlässigen Spalt 7 aufweist. Dieser Kühlkanal 6 wird durch ein Blech- Umformverfahren hergestellt.
Zur Aufnahme des Kühlkanals 6 beim Gießen des Leichtmetall¬ kolbens 1 werden zwei im Gießwerkzeug gelagerte Haltepino¬ len 8 verwendet (in Fig. 1 versetzt gezeichnet) . Diese Hal¬ tepinolen 8 sind bezüglich des Umfangs des Kühlkanals 6 so angeordnet und mit diesem jeweils über ein ausgestanztes Loch 9 so verbunden, daß nach Herstellen des Leichtmetall¬ kolbens 1 und Entfernen dieser Haltepinolen 8 ein Zu- und ein Abfuhrkanal für die Kühlflüssigkeit entstanden ist.
Wie in Fig. 2 im Schnitt durch den Kühlkanalring zu erken¬ nen ist, weist der Kühlkanal 6 an seiner Oberseite einen Spalt 7 (nicht maßstäblich, sondern vergrößert dargestellt) auf, durch den der Innenraum des Kühlkanals 6 mit der Umge¬ bung verbunden ist und durch den im Betriebszustand Kühlöl in den Spalt zwischen Kanalaußenwand und Kolbengrundwerk- stoff gelangen kann, wodurch der Wärmeübergang zwischen Grundmaterial und Kühlkanal erheblich verbessert wird. Das Eindringen des Öls in den zwischen Kühlkanal und Grundwerk¬ stoff vorhandenen Spalt wird durch die im Abwärtshub auf das Öl wirkenden Verzögerungskräfte und den daraus im Spaltbereich eintretenden Druckaufbau im Öl beschleunigt.
Dieser Spalt 7 wird aus Kostengründen vorteilhaft durch stumpfen Stoß der beiden Blechenden hergestellt, kann je¬ doch auch durch Überlappung der Blechenden hergestellt wer¬ den.
Im Ruhezustand wird dann das in diesem Spalt befindliche Kühlöl infolge der Abkühlung des Kolbens - bei der sich der Grundwerkstoff stärker zusammenzieht als der Werkstoff des Kühlkanals - zurück in den Kühlkanal 6 gedrückt.
Der Querschnitt des Ringkanals muß nicht notwendigerweise - wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt - kreisringförmig oder oval sein.

Claims

Patentansprüche
1. Gegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit einem im Kolbenkopf vorgesehenen Kühlkanal aus Blech, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (6) längs seines Umfangs zumindest teilweise einen dünnen, öldurchlässigen Spalt (7) auf¬ weist.
2. Gegossener Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (6) aus Stahlblech oder Kupferblech besteht.
3. Gegossener Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (6) aus verzinktem Stahlblech be¬ steht.
4. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Spalt (7) sich über den gesamten Umfang des Kühlkanals (6) erstreckt.
5. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7) eine Breite von 0,08 - 0,5 mm auf¬ weist.
6. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (7) durch stumpfen Stoß der Blechenden gebildet wird.
7. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechdicke 0,1 - 0,8 mm beträgt.
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