EP1546536A1 - Einteiligen k hlkanalkolben f r einen verbrennungsmotor - Google Patents

Einteiligen k hlkanalkolben f r einen verbrennungsmotor

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EP1546536A1
EP1546536A1 EP03769202A EP03769202A EP1546536A1 EP 1546536 A1 EP1546536 A1 EP 1546536A1 EP 03769202 A EP03769202 A EP 03769202A EP 03769202 A EP03769202 A EP 03769202A EP 1546536 A1 EP1546536 A1 EP 1546536A1
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EP
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piston
cooling channel
bores
circumference
cooling
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Hans-Jürgen Köhnert
Peter Kemnitz
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Mahle GmbH
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Mahle GmbH
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    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
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    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a one-piece cooling channel piston for an internal combustion engine, with a piston head forged from steel, which comprises a combustion bowl in the piston crown, an annular wall with a ring section and a closed cooling channel running around the ring section, a piston shaft being connected to the hubs attached to the piston head.
  • Generic one-piece cooling channel pistons are known for example from EP 0 799 373 B1 or DE 100 13 395 C1.
  • a piston blank is produced by forging, an annular recess and the cooling channel which is open at the bottom are machined, and the outer contour of the piston is then finished.
  • the axial height of the annular recess corresponds at least to the axial height of the cooling channel. This is necessary because a hook-shaped turning tool has to be inserted into the recess in order to produce the cooling channel which is open at the bottom, and the cooling channel has to be turned out in its desired shape by corresponding axial and radial infeed.
  • a disadvantage of these pistons is that the height of the hook-shaped turning tool determines the height of the cooling channel to be reached and thus the amount of heat to be dissipated from the piston crown due to high wall thicknesses.
  • the recess for introducing the turning tool would have to be enlarged, but this would be accompanied by an undesirable increase in the overall height of the piston.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an improved piston concept for a one-piece cooling channel piston, with which inexpensive manufacture of a low piston height is ensured and with which piston deformation due to the action of high gas pressures and temperatures can be effectively counteracted.
  • a cooling channel formed in the piston head has bores that are distributed around its circumference and are oriented toward the piston crown with such spacing from one another that the piston material between the bores forms support ribs for the piston crown.
  • the cooling channel can be shaped closer to the piston crown or combustion bowl and still has excellent dimensional stability with a low piston height.
  • 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.
  • the cooling effect can be further improved by an increased number of bores in the areas of the cooling channel in which the focal jets strike the piston crown.
  • Fig. 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 the line II in FIG. 1;
  • Fig. 3 shows a piston according to the invention in cross section, cut transversely to
  • FIG. 4 shows a piston according to the invention, cut along the line 1V-IV
  • FIG. 1 shows a piston according to the invention in perspective view.
  • Fig. 6 shows a piston according to the invention, cut along the line IV-IV
  • the one-piece cooling channel piston consists of a forged piston head 1 made of steel or forgeable Al alloy with a combustion bowl 3 in its piston crown 2, an annular wall 4 with ring section 11, a closed cooling channel 7 running around the ring section 11, a piston skirt 9 with the is attached to the piston head 1 attached hubs 12.
  • the piston is produced in accordance with EP 0 799 373 B1, wherein before the cooling channel 7 is closed by means of a cover 13, holes 14 are provided in the cooling channel 7 according to the invention, which are arranged symmetrically distributed on the circumference and in the direction of the piston crown 2, ie parallel to Piston longitudinal axis K are introduced.
  • the depth h ß of the holes 14 is a maximum of a quarter of 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 cooling oil inlet 5 and the cooling oil outlet 10 are arranged opposite each other in a cooling duct cover 13, which consists of a two-part spring element.
  • the cooling channel cover 13 closes the cooling channel 7 at its end open towards the piston skirt 9.
  • the material regions designated between the bores 14 form supporting ribs 8, the width of which is determined by the spacing of the bores 14.
  • the bores 14 are spaced apart from one another in the cooling channel 7 in such a way that this corresponds to at least half the diameter of the bores 14, the bore diameters being all identical. It is of course at the discretion of the person skilled in the art to also different bore holes to use a knife, in which case the distance should correspond to half the largest bore diameter in order to counteract piston deformation during engine operation.
  • 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 number of bores 14 and thus the distribution of the support ribs 8 can be designed in such a way that a larger number of support ribs 8 is arranged in the pressure-counter pressure direction D or GD than transversely thereto, i. that is, 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 KH, can be such that within a quadrant a symmetrical (FIG.
  • asymmetrical or partially symmetrical distribution (Fig. 6) is provided, or the distribution is dependent on the local temperature distribution in the piston crown.
  • the cooling effect can be further improved by an increased number of bores in the areas of the cooling channel 7 in which the combustion jets of the ignited fuel hit the piston crown 2. In this way, the stresses on the piston that occur can be better countered in the event of a load.
  • the bores 14 can be realized by round bores, as shown in FIGS. 4 and 6, or by elongated bores (not shown), which are oriented with their long side in the direction from the center of the piston radially outward to the piston wall. With these respective exemplary embodiments of the bore arrangements it is achieved that they have different distances and thus the material designed as support ribs 8 is enlarged. It is decisive for the spacing of the bores that this corresponds from the bore axis to the bore axis on the circumference at least half of the largest bore diameter used. To further influence the heat dissipation from the combustion bowl 3, the tips of the bores 14 can be round or, as shown in FIG. 1, angled.
  • the axes of the bores 14 can be arranged parallel to the longitudinal piston axis K and / or, ie in combination, at an acute angle thereto, the bores preferably pointing in the direction of the piston crown 2 or combustion bowl 3.

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Abstract

Bei einem einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei der Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, soll eine kostengünstige Herstellung mit einer verbesserten Kühlung und gute Formstabilität des Kolbens dadurch erreicht werden, dass der Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden (2) hin gerichtete Bohrungen (14) mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.

Description

Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal umfasst, wobei ein Kolbenschaft mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden ist.
Gattungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 bekannt. Bei den dort benannten Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Außenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Die axiale Höhe der ringförmigen Ausnehmung entspricht bei der EP 0799373 B1 mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals. Das ist erforderlich, da zur Herstellung des nach unten offenen Kühlkanals ein hakenförmiger Drehmeißel in die Ausnehmung eingeführt und durch entsprechende axiale und radiale Zustellung der Kühlkanal in seiner gewünschten Form ausgedreht werden muss.
Nachteilig bei diesen Kolben ist, dass durch die Höhe des hakenförmigen Drehmeißels die zu erreichende Kühlkanalhöhe und damit die vom Kolbenboden abzuleitende Wärmemenge infolge hoher Wanddicken bestimmt wird. Um die Kühlkanalhöhe zu vergrößern bzw. die Wanddicke zwischen Kühlkanal und Kolbenboden zu verringern, müsste die Ausnehmung zur Einführung des Drehmeißels vergrößert werden, mit der aber eine unerwünschte Vergrößerung der Bauhöhe des Kolbens einhergehen würde.
Andererseits würde die Kolbenstabilität infolge vorgenannter verringerter Wandstärke abnehmen. Damit sind diese vorgenannten Herstellungsverfahren bzw. Kolbenkonstruktionen nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Bauhöhe sowie seiner Sta- bilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kolbenkonzept für einen einteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung geringer Kolbenbauhöhe gewährleistet ist und mit dem wirksam einer Kolbendeformation infolge Einwirkung hoher Gasdrücke und Temperaturen entgegengewirkt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenkopf eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen für den Kolbenboden bildet.
Bei einem derart hergestellten Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei einer geringen Kolbenbauhöhe 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. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals, in denen die Brennstrahlen auf den Kolbenboden treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden.
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 1V-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 einteilige Kühlkanalkolben besteht aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 aus Stahl oder schmiedbaren AI-Legierung mit einer Verbrennungsmulde 3 in seinem Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 11, einem auf Höhe der Ringpartie 11 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wobei ein Kolbenschaft 9 mit den am Kolbenkopf 1 angehängten Naben 12 verbunden ist. Die Herstellung des Kolbens erfolgt nach der EP 0 799 373 B1, wobei vor dem Verschließen des Kühlkanals 7 mittels einer Abdeckung 13 erfindungsgemäß im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen werden, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens 2, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe hß der Bohrungen 14 beträgt maximal ein Viertel 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.
Der Kühlölzulauf 5 und der Kühlölauslauf 10 ist in einer Kühlkanalabdeckung 13, die aus einem zweigeteilten Federelement besteht, gegenüberliegend angeordnet. Durch die Kühlkanalabdeckung 13 erfolgt der Verschluss des Kühlkanals 7 an seinem zum Kolbenschaft 9 hin offenen Ende.
Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, bilden die zwischen den Bohrungen 14 bezeichneten Materialbereiche Stützrippen 8, deren Breite vom Abstand der Bohrungen 14 bestimmt wird. Die Bohrungen 14 sind im Kühlkanal 7 umfangsseitig derart voneinander beabstandet, dass dieser mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrungen 14 entspricht, wobei die Bohrungsdurchmesser alle identisch sind. Es liegt natürlich im Ermessen des Fachmanns, auch unterschiedliche Bohrungsdurch- messer zu verwenden, wobei dann der Abstand der Hälfte des größten Bohrungsdurchmessers entsprechen sollte, um einer Kolbendeformation im Motorbetrieb entgegenzuwirken.
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 Anzahl der Bohrungen 14 und damit die Verteilung der Stützrippen 8 so gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung D bzw. GD eine größere Anzahl von 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. 4) oder unsymmetrische bzw. teilsymmetrische Verteilung (Fig. 6) vorgesehen ist, oder die Verteilung abhängig ist von der örtlichen Temperaturverteilung im Kolbenboden. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals 7, in denen die Brennstrahlen des gezündeten Kraftstoffes auf den Kolbenboden 2 treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden. Dadurch kann im Lastfall auch den auftretenden Spannungsbelastungen des Kolbens besser entgegnet werden.
Die Bohrungen 14 können durch Rundbohrungen realisiert werden, wie in den Figuren 4 und 6 dargestellt, oder durch Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand ausgerichtet sind. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Maßgebend für den Abstand der Bohrungen ist es, dass dieser von Bohrungsachse zu Bohrungsachse umfangsseitig wenigstens die Hälfte des größten verwendeten Bohrungsdurchmessers entspricht. 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 bevorzugt in Richtung Kolbenboden 2 bzw. Verbrennungsmulde 3 zeigen.
Bezugszeichen
Kolbenkopf 1
Kolbenboden 2
Verbrennungsmulde 3
Ringwand 4
Kühlölzulauf 5
Kühlkanal 7
Stützrippen 8
Kolbenschaft 9
Kühlölauslauf 10
Ringpartie 11
Naben 12
Kühlkanalabdeckung 13
Bohrungen 14
Kolbenlängsachse K
Kolbenhauptachsen KH
Kühlkanalhöhe H
Tiefe der Bohrungen 14 he

Claims

Patentansprüche
1. Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei ein Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden (2) hin gerichtete Bohrungen (14) mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt angeordnet sind.
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Bohrungen (14) auf dem Umfang des Kühlkanals (7) voneinander mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrung (14) beträgt.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) gleiche Durchmesser aufweisen.
5. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (he) aufweisen, die maximal ein Viertel der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.
6. Kolben nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
7. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine zylindrische oder langlochförmige Form aufweisen.
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