EP1546535B1 - Mehrteiligen gekühlten kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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EP1546535B1 EP03769200A EP03769200A EP1546535B1 EP 1546535 B1 EP1546535 B1 EP 1546535B1 EP 03769200 A EP03769200 A EP 03769200A EP 03769200 A EP03769200 A EP 03769200A EP 1546535 B1 EP1546535 B1 EP 1546535B1
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a multi-part cooled piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a multi-part cooled piston for an internal combustion engine is from the JP 61175255 A known.
  • This piston shows at the level of the ring portion of the piston a number of ribs, between which a heat-insulating plate for minimizing the heat transfer from the combustion bowl to the ring section is arranged.
  • a pendulum piston which consists of a piston body with a piston upper part and formed thereon with pin bosses and a separate shaft part, which is connected by means of piston pin with the piston body.
  • the pendulum piston has an annular cooling channel, which is bounded partly by the upper piston part and partly by the shaft part, and also has no technical features that improve the cooling effect of flowing in the cooling channel cooling oil.
  • the invention is therefore based on the object to provide a multi-part cooled piston, which is inexpensive to produce with a sufficient dimensional stability and a cooling system with improved cooling effect.
  • the cooling channel can be formed closer to the piston crown or combustion bowl and nevertheless has excellent dimensional stability.
  • the arrangement of the support ribs a kind of chamber formation in the cooling channel, d. h., A generation of shaker chambers, whereby an extension of the residence time of the cooling oil and thus an improved heat dissipation of the piston areas to be cooled is achieved.
  • the multi-part cooled piston 20 consists of a forged piston upper part 1 with a combustion bowl 3, ring wall 4 with ring portion 11 and a (upper, towards the piston head) part of a cooling channel 7 and a piston lower part 2, the (lower, the piston shaft 9 out ) Part of a cooling channel 7, a piston shaft 9 and hub supports 6, as shown Fig. 5 can be seen.
  • holes 14 are provided in the cooling channel 7, which are arranged distributed symmetrically on the circumference and in the direction of the piston crown, ie parallel to the piston longitudinal axis K, are introduced.
  • the depth h B of the holes is at most half the total height H of the cooling channel 7, so that an unhindered cooling oil circuit is ensured.
  • FIGS. 3 and 4 show, between the holes 14 designated as support ribs 8 material areas go radially to the piston longitudinal axis K in sections of an annular rib 5, which forms the annular rib 5 in its entirety.
  • the holes 14 and thus the support ribs 8 are, as in Fig. 4 represented, distributed radially symmetrically over the circumference of the cooling channel 7 arranged.
  • the distribution can be designed such that in pressure-back pressure direction D, GD of the piston 20, a larger number of holes 14 and thus support ribs 8 is arranged, as transverse to it, ie, a single-ended circumferential distribution in Cooling channel 7 takes place.
  • the distribution of the bores 14 and thus of the support ribs 8 in the cooling channel 7 when it is characterized according to the quadrant formed by the piston main axes K H I - IV be such that within a quadrant a symmetric ( Figure 6 ) or unbalanced distribution (not shown) is provided, which in the opposite quadrant, ie I. and III. or II. and IV., finds again.
  • the holes 14 can thereby by round holes, as in the FIGS. 4 and 6 shown, or oblong holes (not shown), which are aligned with its long side in the direction of the piston center radially outward to the piston wall.
  • the tips of the holes 14 may be round or, as in Fig. 1 shown to be angled.
  • the axes of the holes 14 can, as Fig. 1 shows, parallel to the piston longitudinal axis K and / or, that is, in combination, to be arranged at an acute angle thereto, the bores 14 pointing in the direction of the combustion bowl 3.
  • annular circumferential support rib 10 is formed, as seen from Fig. 3 can be seen, which corresponds in their geometric dimensions with the annular rib 5.
  • the upper piston part 1 and the lower piston part 2 are permanently connected to each other via the supporting and annular ribs 10 and 5 by means of a welding or soldering process, subsequently finishing the piston 20 to a piston which can be used in a motor by means of machining.
  • the upper piston part 1 is advantageously made of an oxidation-resistant and / or heat-resistant material and the lower piston part 2 of a precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel or tempered steel.
  • the outer piston wall regions between two piston parts 1 and 2 form a bearing surface, which is characterized by a few tenths of a millimeter wide gap 13. This can remain open or be sealed by means of a temperature-resistant sealing ring, which is positioned before joining both piston parts 1 and 2 on one of the bearing surfaces, for example, the piston lower part 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

  • Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • 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.
  • Aus der US-PS 4,581,983 ist ein zweiteiliger Kolben mit einem aus Stahl geschmiedeten Oberteil bekannt, der einen in Kolbenbodennähe angeordneten, ringförmigen Kühlkanal aufweist. Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Kühlkanal weist keine technischen Merkmale auf, die die Kühlwirkung des im Kühlkanal fließenden Kühlöles verbessern.
  • Aus der US-PS 5,483,869 ist ein Pendelschaftkolben bekannt, der aus einem Kolbengrundkörper mit einem Kolbenoberteil und mit daran angeformten Bolzennaben und aus einem separaten Schaftteil besteht, das mittels Kolbenbolzen mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist. Der Pendelschaftkolben weist einen ringförmigen Kühlkanal auf, der teils vom Kolbenoberteil und teils vom Schaftteil begrenzt wird, und der ebenfalls keine technische Merkmale aufweist, die die Kühlwirkung des im Kühlkanal fließenden Kühlöles verbessern.
  • Die 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 mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen.
  • 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., eine Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit eine 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 hB 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 Lötverfahrens 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 oxidationsbeständigen 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, GD

Claims (9)

  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 mit 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) und das Kolbenunterteil (2) gebildet und in seinem Querschnitt durch diese begrenzt ist, wobei das Kolbenoberteil (1) eine durch die Innenwand des Kühlkanals begrenzte, umlaufende Ringrippe (5) und das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) aufweisen, und wobei das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Ringrippe (5) und der Tragrippe (10) unlösbar verbunden sind,
    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 der umlaufenden Ringrippe (5) bilden, undd
    - dass 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 (hB) 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-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl besteht.
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