EP0902180B1 - Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0902180B1 EP98117145A EP98117145A EP0902180B1 EP 0902180 B1 EP0902180 B1 EP 0902180B1 EP 98117145 A EP98117145 A EP 98117145A EP 98117145 A EP98117145 A EP 98117145A EP 0902180 B1 EP0902180 B1 EP 0902180B1
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light metal
hubs
faces
cavity
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a light metal piston for Internal combustion engines with a roof-shaped piston crown a particularly asymmetrical combustion chamber bowl.
  • the piston crown has two flat piston crown surfaces inclined towards each other, which over a common ridge line that runs parallel to the piston pin axis runs, merge and thereby the roof shape form, so that viewed in the piston pin direction Gable shape results.
  • DE-A-41 10 306 describes a non-roof-shaped piston with a very flat combustion chamber bowl known, the outer Hub distance is 0.4 to 0.7 of the piston diameter, and each above the outer surfaces of the recessed hubs an open cavity is provided which extends towards the piston crown in the area behind the ring field stretched in, and the hub inner surfaces are trapezoidal or are stepped.
  • the shaft length is 0.30 - 0.50 on the pressure side of the piston Piston diameter and on the counter pressure side 0.15 - 0.30 des Piston diameter.
  • Firing bowl shape affects the top heaviness due to Material accumulation in the head area due to the roof shape as disadvantageous, especially prepares the Piston noise in operation problems and there must be one relatively long shaft length can be used to the To guide pistons in the cylinder and as a result of Evenly absorb head-heavy forces and to be able to derive.
  • the object of the invention is to a piston of the type described above improve that the problems mentioned do not occur.
  • the top-heavyness of the piston is reduced.
  • the Reset of the hubs is done radially outside the outer surface the hub space for training the weight-reducing Cavities created above the hubs. It has shown, that by a trapezoidal or step-like formation of the inner hub surfaces due to the hub reset deteriorated power transmission to the piston pin again can be compensated by at least in the upper range the hub has a sufficient wing between the hub and the bolt is available.
  • the cavities extending into the area behind the ring field preferably extend at least to the level of groove upper flank delimiting the upper ring groove. If it is If the combustion chamber trough is allowed to form, the cavity can become also extend deeper into the piston crown to get the to bring about advantageous weight reduction even more effectively. It has been shown that when the cavity extends circumferentially less than 60 °, preferably 50 - 55 °, a weakening or twisting of the piston crown and of the ring field as a result of tensile and compressive stresses not even in a disadvantageous way if the cavity extends up to the named level of the top Extending annular groove flank edge.
  • One of the roof shapes has proven to be particularly advantageous appropriately optimized design of the cavity has been proven, after which the depth of the cavity starting from the through Piston pin axis and piston longitudinal axis plane formed in Circumferential direction decreases in both directions, d. H. that the depth of the cavity is analogous to the shape of the roof and, preferably according to the slope of the roof shape Sides decreases.
  • In a very particularly preferred embodiment of the Invention go the outer surfaces of the hubs flush in the Wall areas delimiting the cavity. This will be a high coolant exchange during piston operation favors and the manufacture of the piston in the casting process simplified. They go in a particularly advantageous manner Outer surfaces of the hubs towards the piston crown Wall surfaces delimiting the cavity without any undercuts over, whereby the manufacture in the chill casting process under Use of an undercut-free die casting tool is possible.
  • Piston shank By improving the tribological properties Coating of sections forming the sliding surfaces Piston shank can be the clearance of the piston in the cylinder be kept small.
  • the coating in the form of a Lubricating varnish reduces that due to the tilting movements of the piston the impact pulses transmitted to the cylinder wall. This will the noise occurring during operation is reduced and it becomes a Reduced risk of seizure due to reduced friction the sliding surfaces even under unfavorable load conditions in motor operation causes.
  • the figures show a light metal piston with a roof-shaped piston head 2 with a combustion chamber trough 4. At the Piston plate 2 closes a ring field 6 forming Circumferential section 8.
  • the one-piece piston comprises two Shaft wall sections 12 which form sliding surfaces 10 and which adhere connect the section 8 forming the ring field 6 and over Bolt hubs 14 forming a total of 16 provided connecting wall sections in the circumferential direction merge.
  • the hubs 14 are set back in such a way that the distance of the outer hub surfaces 18 from one another is 65% of the piston diameter D k .
  • the inner hub surfaces 20 are trapezoidal, so that the hubs taper in the direction of the free shaft end.
  • the hub outer surfaces 18 merge without undercuts and flush into the wall surfaces 24 delimiting the cavities 22.
  • the height or depth of the cavities 22 measured in the longitudinal direction of the piston is such that they extend to the plane indicated by reference numeral 26 in FIG. 1, which is defined by the groove flank 28 delimiting the upper annular groove.
  • the shaft length L s is 42% of the piston diameter D k .
  • the piston is made of a light metal alloy, preferably a heat-resistant aluminum alloy with 11 - 13% by weight Si, 3.3 - 4.2% by weight Cu, 1.8 - 2.5% by weight Ni manufactured. Due to the shape described above the top heaviness of the piston can be provided by the Reduce voids 22 so that it is relatively short Shaft length can be chosen without being distracting Running noises occur or as a result of increased Tilting movements the lateral forces on the cylinder wall and thus the wear is increased. Forming on the sliding surfaces 10 Shaft wall sections 12 is also a tribological one Properties-improving coating 30 applied.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem dachförmigen Kolbenboden mit einer insbesondere asymmetrisch ausgebildeten Brennraummulde.
Ein derartiger Kolben ist bekannt. Der Kolbenboden weist zwei gegeneinander geneigte ebene Kolbenbodenflächen auf, die über eine gemeinsame Firstlinie, die parallel zur Kolbenbolzenachse verläuft, ineinander übergehen und hierdurch die Dachform bilden, so dass sich in Kolbenbolzenrichtung betrachtet eine Giebelform ergibt.
Aus DE-A-41 10 306 ist ein nichtdachförmiger Kolben mit einer sehr flachen Brennraummulde bekannt, wobei der äußere Nabenabstand 0,4 bis 0,7 des Kolbendurchmessers beträgt, und jeweils oberhalb der Außenflächen der zurückgesetzten Naben ein offener Hohlraum vorgesehen ist, der sich in Richtung auf den Kolbenboden in den Bereich hinter dem Ringfeld hineinerstreckt, und wobei die Nabeninnenflächen trapezförmig oder stufenförmig abgesetzt ausgebildet sind. Die Schaftlänge beträgt auf der Druckseite des Kolbens 0,30 - 0,50 des Kolbendurchmessers und auf der Gegendruckseite 0,15 - 0,30 des Kolbendurchmessers.
Aus DE-A-42 10 056 ist ein weiterer nichtdachförmiger Kolben bekannt, wobei der äußere Nabenabstand soweit aus der Zeichnung entnehmbar etwa 55 % des Kolbendurchmessers beträgt, und wobei jeweils oberhalb der Außenflächen der zurückgesetzten Naben ein offener Hohlraum vorgesehen ist, der sich in Richtung auf den Kolbenboden in den Bereich hinter dem Ringfeld bis zu der Ebene der die obere Ringnut begrenzenden Nutoberflanke hineinerstreckt.
Bei dachförmigen Kolben mit einer im Hinblick auf das spezielle Verbrennungsverfahren optimierten Brennraummuldenform wirkt sich die Kopflastigkeit aufgrund der Materialanhäufung im Kopfbereich infolge der Dachform als nachteilig aus, insbesondere bereitet die Kolbengeräuschbildung im Betrieb Probleme, und es muss eine verhältnismäßig lange Schaftlänge verwendet werden, um den Kolben im Zylinder zu führen und die infolge der Kopflastigkeit auftretenden Kräfte gleichmäßig aufnehmen und ableiten zu können.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die erwähnten Probleme nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Mit den vorstehend genannten Merkmalen wird erfindungsgemäß die Kopflastigkeit des Kolben reduziert. Durch die Zurücksetzung der Naben wird radial außerhalb der Außenfläche der Naben Raum für die Ausbildung der gewichtsreduzierenden Hohlräume oberhalb der Naben geschaffen. Es hat sich gezeigt, dass durch eine trapezförmige oder stufenförmige Ausbildung der Nabeninnenflächen die infolge der Nabenzurücksetzung verschlechterte Kraftübertragung auf den Kolbenbolzen wieder ausgeglichen werden kann, indem zumindest im oberen Bereich der Nabe eine hinreichende Tragfläche zwischen Nabe und Bolzen zur Verfügung steht.
Es hat sich gezeigt, dass sich ein erfindungsgemäßer Kolben besonders für den Einsatz mit direkter Kraftstoffeinspritzung bei einem Otto-Motor eignet.
Bei einer trapezförmigen Ausgestaltung der Nabeninnenflächen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese unter einem Winkel von 10 bis 15° zur Kolbenlängsachse geneigt verlaufen.
Die in den Bereich hinter dem Ringfeld erstreckten Hohlräume erstrecken sich vorzugsweise wenigstens bis über die Ebene der die obere Ringnut begrenzenden Nutoberflanke. Sofern es die Ausbildung der Brennraummulde zulässt, kann sich der Hohlraum auch tiefer in den Kolbenboden hineinerstrecken, um die vorteilhafte Gewichtsreduzierung noch effektiver zu bewirken. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Erstreckung des Hohlraums in Umfangsrichtung von weniger als 60°, vorzugsweise von 50 - 55°, eine Schwächung bzw. eine Verwindung des Kolbenbodens und des Ringfelds infolge auftretender Zug- und Druckspannungen auch dann nicht in nachteiliger Weise bemerkbar macht, wenn sich der Hohlraum bis zu der genannten Ebene der die obere Ringnut begrenzenden Nutflanke erstreckt.
Als ganz besonders vorteilhaft hat sich eine der Dachform entsprechend optimierte Ausgestaltung des Hohlraums erwiesen, wonach die Tiefe des Hohlraums ausgehend von der durch Kolbenbolzenachse und Kolbenlängsachse gebildeten Ebene in Umfangsrichtung nach beiden Richtungen hin abnimmt, d. h. dass die Tiefe des Hohlraums analog der Dachform verläuft und, vorzugsweise der Neigung der Dachform entsprechend, zu den Seiten hin abnimmt.
Bei einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gehen die Außenflächen der Naben bündig in den Hohlraum begrenzende Wandflächen über. Hierdurch wird ein hoher Kühlmittelaustausch im Betrieb des Kolbens begünstigt und die Herstellung des Kolbens im Gießprozess wird vereinfacht. In ganz besonders vorteilhafter Weise gehen die Außenflächen der Naben in Richtung auf den Kolbenboden hinterschneidungsfrei in den Hohlraum begrenzende Wandflächen über, wodurch die Herstellung im Kokillengießverfahren unter Verwendung eines hinterschneidungsfreien Kokillengießwerkzeugs möglich ist.
Durch eine die tribologischen Eigenschaften verbessernde Beschichtung von Gleitflächen bildenden Abschnitten des Kolbenschafts kann das Einbauspiel des Kolbens im Zylinder klein gehalten werden. Die Beschichtung in Form eines Gleitlacks vermindert die durch Kippbewegungen des Kolbens an die Zylinderwand übertragenen Aufschlagimpulse. Dadurch wird das im Betrieb auftretende Geräusch reduziert und es wird eine Verminderung der Fressgefahr durch herabgesetzte Reibkräfte an den Gleitflächen auch unter ungünstigen Lastzuständen im motorischen Betrieb bewirkt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens.
Figur 1
zeigt einen Längsschnitt durch die von Kolbenlängsachse und Kolbenbolzenachse gebildete Ebene; und
Figur 2
zeigt eine Ansicht auf die Ebene II-II in Figur 1; und
Figur 3
eine Seitenansicht des Kolbens in Richtung der Kolbenbolzenachse.
Die Figuren zeigen einen Leichtmetallkolben mit einem dachförmigen Kolbenboden 2 mit einer Brennraummulde 4. An den Kolbenboden 2 schließt sich ein das Ringfeld 6 bildender Umfangsabschnitt 8 an. Der einteilige Kolben umfasst zwei Gleitflächen 10 bildende Schaftwandabschnitte 12, die sich an den das Ringfeld 6 bildenden Abschnitt 8 anschließen und über Bolzennaben 14 bildende insgesamt mit dem Bezugszeichen 16 versehene Verbindungswandabschnitte in Umfangsrichtung ineinander übergehen.
Die Naben 14 sind derart zurückgesetzt, dass der Abstand der Nabenaußenflächen 18 voneinander 65 % des Kolbendurchmessers Dk aufweist. Wie aus der Figur 1 ersichtlich verlaufen die Nabeninnenflächen 20 trapezförmig, so dass sich die Naben in Richtung auf das freie Schaftende verjüngen. Durch die Zurücksetzung der Naben 14 bzw. der Nabenaußenflächen 18 entstehen in Umfangsrichtung auf Breite der Naben und senkrecht zur Kolbenbolzenachse x Freiräume für die Ausbildung eines im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenbolzenachse x in Richtung auf den Kolbenboden 2 erstreckten Hohlraums 22. Die Hohlräume 22 überspannen in Umfangsrichtung ein Kreisbogensegment von 55°. Sie sind zur Kolbenbolzenlängsachse x symmetrisch ausgebildet. Die Nabenaußenflächen 18 gehen hinterschneidungsfrei und bündig in die Hohlräume 22 begrenzende Wandflächen 24 über. Die Höhe bzw. Tiefe der Hohlräume 22 in Kolbenlängsrichtung gemessen ist derart, dass sie sich bis zu der mit dem Bezugszeichen 26 in der Figur 1 angedeuteten Ebene erstrecken, welche durch die die obere Ringnut begrenzende Nutflanke 28 definiert ist.
Die Schaftlänge Ls beträgt 42 % des Kolbendurchmessers Dk.
Der Kolben ist aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer hochwarmfesten Aluminiumlegierung mit insbesondere 11 - 13 Gew.% Si, 3,3 - 4,2 Gew.% Cu, 1,8 - 2,5 Gew.% Ni hergestellt. Durch die vorstehend beschriebene Formgebung lässt sich die Kopflastigkeit des Kolbens durch Vorsehen der Hohlräume 22 reduzieren, so dass eine verhältnismäßig kurze Schaftlänge gewählt werden kann, ohne dass störende Laufgeräusche auftreten oder infolge verstärkter Kippbewegungen die Seitenkräfte auf die Zylinderwand und damit der Verschleiß erhöht wird. Auf die Geitflächen 10 bildenden Schaftwandabschnitte 12 ist zusätzlich eine die tribologischen Eigenschaften verbessernde Beschichtung 30 aufgebracht.

Claims (8)

  1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem dachförmigen Kolbenboden (2) mit zwei gegeneinander geneigten ebenen Kolbenbodenflächen, welche die Dachform bilden, und mit einer Brennraummulde (4), wobei die Naben (14) in Bolzenachsenrichtung (x) derart zurückgesetzt sind, dass der äußere Nabenabstand 60 - 65 % des Kolbendurchmessers (Dk) oder weniger beträgt, und dass jeweils oberhalb der Außenflächen (18) der zurückgesetzten Naben (14) ein in Umfangsrichtung einen Winkel (α) zwischen 45 und 60° einschließender offener Hohlraum (22) vorgesehen ist, der sich in Richtung auf den Kolbenboden (2) in den Bereich hinter dem Ringfeld (6) bis wenigstens zu der Ebene (26) der die obere Ringnut begrenzenden Nutoberflanke (28) hineinerstreckt und dessen Tiefe ausgehend von der durch Kolbenbolzenachse und Kolbenlängsachse gebildeten Ebene in Umfangsrichtung nach beiden Seiten hin abnimmt, und wobei die Nabeninnenflächen (20) trapezförmig oder stufenförmig abgesetzt ausgebildet sind und die Schaftlänge (Ls) 40 - 45 % des Kolbendurchmessers (Dk) beträgt.
  2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen (20) der Naben (14) unter einem Winkel von 10 - 15° zur Kolbenlängsachse geneigt verlaufen.
  3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Hohlräume (22) entsprechend der Neigung der Dachform des Kolbenbodens (2) abnimmt.
  4. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (18) der Naben bündig in den Hohlraum (22) begrenzende Wandflächen (24) übergehen.
  5. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (18) der Naben (14) in Richtung auf den Kolbenboden (2) hinterschneidungsfrei in den Hohlraum (22) begrenzende Wandflächen (24) übergehen.
  6. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gleitflächen (10) bildende Abschnitte (12) des Kolbenschafts eine die tribologischen Eigenschaften verbessernde Beschichtung (30) aufweisen.
  7. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Aluminiumlegierung mit 11 - 13 Gew.% Si, 3,3 - 4,2 Gew.% Cu und 1,8 - 2,5 Gew.% Ni gegossen ist.
  8. Leichtmetallkolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er im Kokillengießverfahren hergestellt ist.
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