EP1546535A1 - Mehrteiligen gekühlten kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mehrteiligen gekühlten kolben für einen verbrennungsmotor

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EP1546535A1
EP1546535A1 EP03769200A EP03769200A EP1546535A1 EP 1546535 A1 EP1546535 A1 EP 1546535A1 EP 03769200 A EP03769200 A EP 03769200A EP 03769200 A EP03769200 A EP 03769200A EP 1546535 A1 EP1546535 A1 EP 1546535A1
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rib
ring
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Definitions

  • the invention relates to a multi-part cooled piston for an internal combustion engine having a piston forged part made of steel, which comprises a combustion bowl in the piston crown and an annular wall with a ring section, and a piston lower part, which has a piston skirt, hubs for receiving the piston pin connecting the piston to the connecting rod, and with the piston skirt connected hub supports, wherein a cooling channel is formed by the upper piston part and lower piston part and its cross section is limited by this.
  • a multi-part cooled piston for an internal combustion engine is known from JP 61175255 A.
  • This piston shows a number of ribs at the level of the ring portion of the piston, between which a heat-insulating plate is arranged to minimize the heat transfer from the combustion chamber trough to the ring portion.
  • WO 00/77379 A1 Another piston for an internal combustion engine is known from WO 00/77379 A1, which has a wall part with a plurality of radially arranged transverse walls made of thin sheet metal to improve the heat dissipation in the cooling channel.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a multi-part cooled piston which can be inexpensively manufactured with sufficient dimensional stability and a cooling system with improved cooling effect.
  • a cooling channel formed in the upper piston part is distributed over its circumference and directed towards the piston crown. stanchions, the piston material present between the bores forming support ribs which form sections of a circumferential ring rib radially towards the longitudinal axis of the piston.
  • a lower piston part has a ring-shaped circumferential supporting rib connected to the hub supports. The upper piston part and the lower piston part are inseparably connected to one another by means of the ring and support rib, the annular wall delimiting the cooling channel forming a gap with the lower piston part through its wall cross section, in which a sealing element can be arranged.
  • the cooling channel can be shaped closer to the piston crown or combustion bowl and still has excellent dimensional stability.
  • the arrangement of the support ribs results in a type of chamber formation in the cooling channel, i. H. Generation of shaker rooms, which extends the length of time the cooling oil stays and thus improves the heat dissipation of the piston areas to be cooled.
  • Figure 1 shows a piston according to the invention in cross section, cut in the pin direction.
  • FIG. 2 shows a piston according to the invention in a bottom view, cut along line II according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a piston according to the invention in cross section, cut transversely to the piston pin direction
  • FIG. 4 shows a piston according to the invention, cut along the line IV-IV from FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a piston according to the invention in a perspective view
  • the multi-part cooled piston 20 according to the invention consists of a forged upper piston part 1 with a combustion bowl 3, ring wall 4 with ring section 11 and an (upper, towards the piston crown) part of a cooling channel 7 and a lower piston part 2, one (lower, towards the piston skirt 9 ) Part of a cooling channel 7, a piston shaft 9 and hub supports 6, as shown in FIG. 5, comprises.
  • 7 holes 14 are provided in the cooling channel, which are arranged symmetrically distributed on the circumference and are introduced in the direction of the piston crown, ie parallel to the longitudinal axis K of the piston.
  • the depth hr_ of the bores is a maximum of half the total height H of the cooling channel 7, so that an unobstructed cooling oil circuit remains guaranteed. This construction creates shaker spaces for the cooling oil, which increase the cooling effect.
  • the respective oil inlet and oil outlet are not shown in the figures.
  • the material regions designated as support ribs 8 between the bores 14 merge radially to the longitudinal axis K of the piston into sections of an annular rib 5, which in its entirety forms the annular rib 5.
  • the bores 14 and thus the support ribs 8 are, as shown in FIG. 4, distributed radially symmetrically over the circumference of the cooling channel 7.
  • the distribution can be designed such that a larger number of bores 14 and thus support ribs 8 are arranged in the pressure-counterpressure direction D, GD of the piston 20 than transversely thereto, that is to say an asymmetrical circumferential distribution in the Cooling channel 7 takes place.
  • the distribution of the bores 14 and thus the support ribs 8 in the cooling channel 7, if this is characterized according to the quadrants I-IV formed by the main piston axes K H , can be such that a symmetrical (FIG. 6) or asymmetrical distribution within a quadrant (not shown) is provided, which are in the opposite quadrants, ie I. and III. or II. and IV.
  • the bores 14 can be aligned by round bores, as shown in FIGS. 4 and 6, or elongated bores (not shown), which have their long side in the direction from the center of the piston radially outward to the piston wall.
  • the tips of the bores 14 can be round or, as shown in FIG. 1, angled.
  • the axes of the bores 14 can, as shown in FIG. 1, parallel to the piston longitudinal axis K and / or, i. H. in combination, at an acute angle to it, the holes 14 pointing in the direction of the combustion bowl 3.
  • annular circumferential supporting rib 10 is formed, as can be seen in FIG. 3, which corresponds in its geometric dimensions to the annular rib 5.
  • the upper piston part 1 and lower piston part 2 are inseparably connected to one another via the supporting and ring ribs 10 and 5 by means of a welding or soldering process, with subsequent finishing of the piston 20 to a piston which can be used in an engine being carried out by means of machining.
  • the upper piston part 1 advantageously consists of an oxidation-resistant and / or heat-resistant material and the lower piston part 2 consists of a precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel or tempered steel.
  • the outer piston wall regions between the two piston parts 1 and 2 form a bearing surface which is characterized by a gap 13 which is a few tenths of a millimeter wide.
  • This can remain open or be sealed by means of a temperature-resistant sealing ring which is positioned on one of the bearing surfaces, for example that of the lower piston part 2, before the joining of both piston parts 1 and 2.

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Abstract

Bei einem mehrteiligen gekühlten Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl bestehenden Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen kastenförmigen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, soll eine kostengünstige Herstellung bei grosser Formstabilität und verbessertem Kühlsystem dadurch erreicht werden, dass ein im Kolbenoberteil (1) eingeformter Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) bildet, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) bilden, dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützun­gen (6) verbundene Tragrippe (10) aufweist, und dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar miteinander verbunden ist.

Description

Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil, das eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden und eine Ringwand mit Ringpartie umfasst, und einem Kolbenunterteil, das einen Kolbenschaft, Naben zur Aufnahme des den Kolben mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft verbundene Nabenabstützungen umfasst, wobei ein Kühlkanal durch das Kolbenoberteil als auch Kolbenunterteil gebildet und in seinem Querschnitt durch diese begrenzt ist.
Ein mehrteilig gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor ist aus der JP 61175255 A bekannt. Dieser Kolben zeigt in Höhe der Ringpartie des Kolbens eine Anzahl von Rippen, zwischen denen eine wärmedämmende Platte zur Minimierung des Wärmetransportes von der Brennraummulde zur Ringpartie angeordnet ist.
Aus der WO 00/77379 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zur Verbesserung der Wärmeabfuhr im Kühlkanal ein Wandteil mit mehreren radial angeordneten aus dünnem Blech bestehende Querwände aufweist.
Diese vorgenannten Konstruktionen sind nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mehrteiligen gekühlten Kolben anzugeben, der mit einer ausreichenden Formstabilität und einem Kühlsystem mit verbesserter Kühlwirkung kostengünstig herstellbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenoberteil eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Boh- rungen aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen bildet, die radial zur Kolbenlängsachse hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe bilden. Ein Kolbenunterteil weist eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen verbundene Tragrippe auf. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil ist mittels der Ring- und Tragrippe unlösbar miteinander verbunden, wobei die den Kühlkanal begrenzende Ringwand über ihren Wandquerschnitt einen Spalt mit dem Kolbenunterteil bildet, in dem ein Dichtelement angeordnet sein kann.
Bei einem derart hergestellten Kolben kann der Kühlkanal näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität auf. Außerdem erfolgt durch die Anordnung der Stützrippen eine Art Kammerbildung im Kühlkanal, d. h. Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit verbesserte Wärmeableitung der zu kühlenden Kolbenbereiche erreicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzenrichtung;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie II gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1 ;
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht;
Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1 , in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der erfindungsgemäße mehrteilig gekühlte Kolben 20 besteht aus einem geschmiedeten Kolbenoberteil 1 mit einer Verbrennungsmulde 3, Ringwand 4 mit Ringpartie 11 und einem (oberen, zum Kolbenboden hin) Teil eines Kühlkanals 7 sowie aus einem Kolbenunterteil 2, das einen (unteren, zum Kolbenschaft 9 hin) Teil eines Kühlkanals7, einen Kolbenschaft 9 sowie Nabenabstützungen 6, wie aus Fig. 5 ersichtlich, umfasst. Gemäß Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe hr_ der Bohrungen beträgt maximal die Hälfte der Gesamthöhe H des Kühlkanals 7, sodass ein ungehinderter Kühlölkreislauf gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl geschaffen, welche die Kühlwirkung erhöhen. In den Figuren ist der jeweilige Ölein- und Ölauslass nicht dargestellt.
Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, gehen die zwischen den Bohrungen 14 als Stützrippen 8 bezeichneten Materialbereiche radial zur Kolbenlängsachse K in Abschnitte einer Ringrippe 5 über, die in ihrer Gesamtheit die Ringrippe 5 bildet. Die Bohrungen 14 und damit die Stützrippen 8 sind, wie in Fig. 4 dargestellt, radial symmetrisch über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Verteilung derart gestaltet sein, dass in Druck- Gegendruckrichtung D, GD des Kolbens 20 eine größere Anzahl von Bohrungen 14 und damit Stützrippen 8 angeordnet ist, als quer dazu, d. h., eine unsymmetrische umfangsseitige Verteilung im Kühlkanal 7 erfolgt. So kann die Verteilung der Bohrungen 14 und damit der Stützrippen 8 im Kühlkanal 7, wenn dieser nach den durch die Kolbenhauptachsen KH gebildeten Quadranten I - IV charakterisiert wird, derart sein, dass innerhalb eines Quadranten eine symmetrische (Fig.6) oder unsymmetrische Verteilung (nicht dargestellt) vorgesehen ist, die sich in den gegenüberliegenden Quadranten, also I. und III. oder II. und IV., wiederfindet. Dadurch kann im Lastfall den auftretenden Temperatur- und Spannungsbelastungen des Kolbens 20 besser entgegnet werden. Die Bohrungen 14 können dabei durch Rundbohrungen, wie in den Figuren 4 und 6 dargestellt, oder Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand, ausgerichtet sein. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Zur weiteren Beeinflussung der Wärmeableitung von der Verbrennungsmulde 3 können die Spitzen der Bohrungen 14 rund oder, wie in Fig. 1 gezeigt, winklig ausgeführt sein.
Die Achsen der Bohrungen 14 können, wie Fig. 1 zeigt, parallel zur Kolbenlängsachse K und/oder, d. h. in Kombination, in einem spitzen Winkel dazu angeordnet sein, wobei die Bohrungen 14 in Richtung Verbrennungsmulde 3 zeigen.
Aus den Nabenabstützungen 6 heraus ist eine ringförmig umlaufende Tragrippe 10 ausgebildet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die in ihren geometrischen Abmessungen mit der Ringrippe 5 korrespondiert. Das Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 ist über die Trag- und Ringrippe 10 bzw. 5 mittels eines Schweiß- oder Lötver ahrens unlösbar miteinander verbunden, wobei nachfolgend eine Endbearbeitung des Kolbens 20 zu einem in einem Motor einsetzbaren Kolben mittels spanabhebender Bearbeitung durchgeführt wird. Das Kolbenoberteil 1 besteht vorteilhaft aus einem oxidationsbe- ständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil 2 aus einem ausscheidungs-härtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl.
Im verbundenen Zustand von Kolbenober- und -unterteil 1 und 2 bilden die äußeren Kolbenwandbereiche zwischen beiden Kolbenteilen 1 und 2 eine Auflagefläche aus, die durch einen wenige zehntel Millimeter breiten Spalt 13 gekennzeichnet ist. Dieser kann offen bleiben oder mittels eines temperaturbeständigen Dichtungsringes, der vor dem Fügen beider Kolbenteile 1 und 2 auf einer der Auflageflächen, beispielsweise der des Kolbenunterteils 2, positioniert wird, abgedichtet sein.
Bezugszeichen
Mehrteilig gekühlter Kolben 20
Kolbenoberteil 1
Kolbenunterteil 2
Verbrennungsmulde 3
Ringwand 4
Ringrippe 5
Nabenabstützung 6
Kühlkanal 7
Stützrippen 8
Kolbenschaft 9
Tragrippe 10
Ringpartie 11
Naben 12
Spalt 13
Bohrung 14
Dichtung 15
Kolbenlängsachse K
Kolbenhauptachse KH
Kühlkanalhöhe H
Tiefe der Bohrung hB
Druck-Gegendruckrichtung des
Kolbens D,

Claims

Patentansprüche
1. Mehrteiliger gekühlter Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, wobei ein Kühlkanal (7) durch das Kolbenoberteil (1 ) als auch Kolbenunterteil (2) gebildet und in seinem Querschnitt durch diese begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass der im Kolbenoberteil (1 ) eingeformte Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) aufweist, wobei das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) bildet, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) bilden,
- dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) aufweist, und
- dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar verbunden ist, wobei die den Kühlkanal (7) begrenzende Ringwand (4) über ihren Wandquerschnitt einen Spalt (13) mit dem Kolbenunterteil (2) bildet.
2. Kolben (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt sind.
3. Kolben (20) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (he) aufweisen, die maximal die Hälfte der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.
4. Kolben (20) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
5. Kolben (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
6. Kolben (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine zylindrische oder langlochförmige Form aufweisen.
7. Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Spalt (13) ein Dichtelement (15) angeordnet ist.
8. Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unlösbare Verbindung des Kolbenober- und Kolbenunterteils (1, 2) eine Schweiß- oder Lötverbindung ist.
9. Kolben (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil (2) aus einem ausscheidungshärtenden ferritisch-perliti- schen Stahl oder Vergütungsstahl besteht.
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