EP0870103B1 - Tauchkolben mit kühlkanal - Google Patents

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EP0870103B1
EP0870103B1 EP96945881A EP96945881A EP0870103B1 EP 0870103 B1 EP0870103 B1 EP 0870103B1 EP 96945881 A EP96945881 A EP 96945881A EP 96945881 A EP96945881 A EP 96945881A EP 0870103 B1 EP0870103 B1 EP 0870103B1
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cooling channel
piston
light metal
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Fritz Warth
Heinz Wimmer
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Mahle GmbH
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Mahle GmbH
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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B22D19/0027—Cylinders, pistons pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F3/00—Pistons 
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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 one provided in the piston head Cooling channel.
  • annular cooling duct tube consists of an aluminized one or alfin treated material with high thermal conductivity.
  • the butt ends of the tube are joined together connected by a welding process to ensure a flawless Get waterproofing. Due to the aluminizing of the Cooling duct pipe and the welding of the pipe ends however, this is an expensive solution.
  • the invention deals with the problem of heat transfer between piston material and cooling channel to improve and reduce the manufacturing cost of the cooling channel. This object is achieved by the features of characterizing part of claim 1 solved.
  • Another advantage of the sheet metal cooling duct according to the invention is that it is cheap in a sheet metal forming process can be made and that the cost of pretreatment of the cooling duct and for sealing the cooling duct omitted.
  • the shape of the cooling channel by deep drawing followed by flanging.
  • the coefficient of thermal expansion of the cooling channel material is advantageously between 10 and 17. 10 -6 l / 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 a particularly preferred range from 0.08 to 0.2 mm.
  • the width of the gap must be dimensioned so that the Do not melt through the gap when pouring around the cooling channel can flow into the interior of the cooling channel.
  • the sealing function can be further improved in that in addition to a relatively narrow gap width the butt ends of the sheet overlap each other.
  • This cooling channel 6 is a sheet metal forming process manufactured.
  • the cooling channel 6 has one on its top Gap 7 (not to scale, but shown enlarged) through which the interior of the cooling channel 6 with the environment is connected and by the cooling oil in the operating state in the gap between the outer wall of the duct and the piston base material can get, causing the heat transfer between Base material and cooling channel is significantly improved.
  • the Oil penetration between the cooling channel and the base material existing gap is increased by the downward stroke the oil acting retarding forces and the resulting Gap area pressure build-up accelerates in the oil.
  • This gap 7 is advantageous for reasons of cost butt joint of the two sheet ends can also be produced by overlapping the sheet ends.
  • the cross section of the ring channel need not necessarily - as shown in Figures 1 and 2 - circular or be oval.

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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

Die Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit einem im Kolbenkopf vorgesehenen Kühlkanal.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus DE-PS 37 21 021 bekannt. Dort besteht das ringförmige Kühlkanalrohr aus einem aluminierten oder alfinbehandelten Material von hoher Wärmeleitfähigkeit. 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 Nachteil dieser Lösung liegt in einem behinderten Wärmeübergang. Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium entsteht bei Betriebstemperatur ein Spalt zwischen Kühlkanal und Kolben, der den Wärmefluß behindert.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, den Wärmeübergang zwischen Kolbenmaterial und Kühlkanal zu verbessern 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 billig hergestellt werden kann und daß die Kosten für die Vorbehandlung des Kühlkanals und für die Abdichtung des Kühlkanals 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 -6 l/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 Dichtfunktion 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 erfindungsgemäßen 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 Bereich hinter der Kolbenringnutanordnung 2 einen ringförmigen Kühlkanal 6 auf, der längs seines Umfangs einen in dieser 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 Leichtmetallkolbens 1 werden zwei im Gießwerkzeug gelagerte Haltepinolen 8 verwendet (in Fig. 1 versetzt gezeichnet). Diese Haltepinolen 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 Leichtmetallkolbens 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 erkennen 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 Umgebung verbunden ist und durch den im Betriebszustand Kühlöl in den Spalt zwischen Kanalaußenwand und Kolbengrundwerkstoff gelangen kann, wodurch der Wärmeübergang zwischen Grundmaterial und Kühlkanal erheblich verbessert wird. Das Eindringen des Öls in den zwischen Kühlkanal und Grundwerkstoff 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 jedoch auch durch Überlappung der Blechenden hergestellt werden.
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 (7)

  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) aufweist.
  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 besteht.
  4. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der dünne Spalt (7) sich über den gesamten Umfang des Kühlkanals (6) erstreckt.
  5. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Spalt (7) eine Breite von 0,08 - 0,5 mm aufweist.
  6. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Spalt (7) durch stumpfen Stoß der Blechenden gebildet wird.
  7. Gegossener Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Blechdicke 0,1 - 0,8 mm beträgt.
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