EP1828587B1 - Mehrteiliger, gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mehrteiliger, gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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EP1828587B1
EP1828587B1 EP05816542A EP05816542A EP1828587B1 EP 1828587 B1 EP1828587 B1 EP 1828587B1 EP 05816542 A EP05816542 A EP 05816542A EP 05816542 A EP05816542 A EP 05816542A EP 1828587 B1 EP1828587 B1 EP 1828587B1
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cooling duct
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ring
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Mahle International GmbH
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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
    • 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
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • 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 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together

Definitions

  • the invention relates to a multi-part cooled piston according to the preamble of claim.
  • a multi-part, cooled piston of the above type is disclosed in the publication DE 102 57 022 known.
  • a molded into the piston upper part of the cooling channel is closed by a piston lower part.
  • the disadvantage here is that for this purpose, the lower piston part in the region of the cooling channel must have a special shape, which leads to a significant increase in the cost of piston production.
  • pistons made in this way have a relatively large weight.
  • the cooling channel cover is installed absolutely secure against rotation in the piston by a tongue is punched in the radially linear portion of a plate spring-shaped cooling channel cover, and this tongue is slightly bent, so that they are molded into a recess formed in the piston outer side can intervene.
  • FIG. 1 a multi-part, cooled piston 1 is shown, which consists of a piston upper part 2 with a combustion bowl 3 in the piston head 30 and an annular wall 4 with ring portion 5 in the radially outer piston region and a piston lower part 6, a box-shaped piston shaft 7 and two associated pin bosses 8, each with a pin bore 9 for receiving a piston pin, not shown in the figure.
  • the piston upper part 2 has an outer annular cooling channel 10 and an inner cooling channel 11 arranged concentrically therewith, wherein the outer cooling channel 10 is closed by a plate spring-like, slightly conically shaped and formed as a one-piece, closed ring cooling channel cover 12, not shown in the figures Having openings for introducing and discharging cooling oil.
  • the outer cooling channel 10 is connected via at least one overflow channel 13 with the inner cooling channel 11. This overflow channel 13 may be formed as a bore.
  • the inner cooling channel 11 has at least one drain hole 14, via which the cooling oil can run out of the inner cooling channel 11.
  • the upper piston part 2 is mounted on an upper bearing surface 16 of an annular hub support 17 of the lower piston part 6 via an annular bearing surface 15, which is arranged on the underside of the piston upper part 2 facing away from the combustion bowl 3.
  • the piston upper part 2 On the underside facing away from the combustion bowl 3, the piston upper part 2 has a bolt 19 arranged centrally and coaxially with the piston axis 18, the end 20 of which is provided with a thread 21.
  • a radially inward to the hub support 17 adjacent region 22 of the piston lower part 6, which defines the inner cooling channel 11 together with the upper piston part 2, is formed relatively thin-walled and is provided in its center with a coaxial with the piston axis 18 arranged bore 23, the one on the thread 21 of the bolt 19 matching Internal thread 24 has.
  • the upper piston part 2 is made of steel and can either be forged or manufactured by continuous casting.
  • the piston bottom 6 is preferably forged from steel.
  • the closed cooling channel 10 is closed by the plate-spring-like cooling channel cover 12, so that it can be seen that the radially outer region 12 'of the cooling channel cover 12 in a radially inner, stepped recess 27 which is formed in the hub-facing end face 26 of the annular wall 4, and that the radially inner region 12 "of the cooling channel cover 12 rests on a projection 29 integrally formed on the hub support 17. Further, it can be seen that the inner region 12" of the cooling channel cover 12 has a hub-bent tongue 25 which projects into a radially outward direction in the Protrusion 29 incorporated recess 28 engages to thereby achieve a backup of the cooling channel cover 12 against rotation during assembly and engine operation.
  • FIGS. 3 to 6 show in plan view a part of the cooling channel cover 12, in the inner region 12 "of two juxtaposed punched 31 and 32, the tongue 25 is formed, which, as Fig. 4 , A sectional view of the cooling channel cover 12 along the line CC in Fig. 3 , is bent away from the imaginary plane formed by the cooling channel cover 12 and includes an acute angle ⁇ with the inner portion 12 "of the cooling channel cover 12.
  • FIG. 5 A partial section through the hub support 17 (without representation of the cooling channel cover 12) along the line AA in Fig. 2 , Shows shape and arrangement of the molded in the radial outer side of the hub support 17 recess 28 for receiving the tongue 25th
  • the plate spring-shaped cooling channel cover 12 is placed on the piston lower part such that, as in Fig. 6 is shown, the tongue 25 engages in the recess 28.
  • the upper piston part 2 is screwed onto the lower piston part 6, wherein the threaded bolt 19 of the piston upper part 2 is screwed into the threaded bore 23 of the region 22.
  • the elasticity of the relatively thin-walled region 22 causes it to deform like a disk spring when the upper and lower piston parts 2, 6 are screwed together and bulges the inner center of the region 22, which is provided with the threaded bore 23, in the direction of the piston upper part 2.
  • the conical shape of the cooling channel cover 12 is more pronounced in the relaxed state than in the installed state.
  • the taper of the cooling channel cover 12 is reduced, that is, the shape of the cooling channel cover 12 is flatter, and in the cooling channel cover 12th a bias voltage is generated, which ensures after the final assembly of the piston 1, that the cooling channel cover 12 partially rests firmly in the recess 27 of the end face 26 and partly on the projection 29, and that a secure and firm installation of the cooling channel cover 12 in the piston 1 also at ensures fast reciprocating movements of the piston 1, which are common in engine operation.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
  • Ein mehrteiliger, gekühlter Kolben der oben genannten Art ist aus der Offenlegungsschrift DE 102 57 022 bekannt. Hierbei wird ein in das Kolbenoberteil eingeformter Kühlkanal von einem Kolbenunterteil verschlossen. Nachteilig ist hierbei, dass zu diesem Zweck das Kolbenunterteil im Bereich des Kühlkanals eine spezielle Form aufweisen muss, was zu einer erheblichen Verteuerung der Kolbenherstellung führt. Zudem weisen auf diese Art hergestellte Kolben ein relativ großes Gewicht auf.
  • Als Lösung dieser Probleme ist den Patentdokumenten, DD 252 638 und DE 41 37 126 , zu entnehmen, den im Kolbenoberteil angeordneten Kühlkanal mit Hilfe einer Abdeckfeder oder eines Abdeckringes zu verschließen. Hierbei tritt aber das Problem auf, dass derartige Kühlkanalabdeckungen im Motorbetrieb selbsttätige Drehbewegungen ausführen können. Um dies zu vermeiden, wird in der DD 252 638 vorgeschlagen, die ringförmige Kühlkanalabdeckung mit einem radial angeordneten Spalt zu versehen und unter Vorspannung in eine dafür vorgesehene Nut einzusetzen, indem beim Einsetzen der Kühlkanalabdeckung mit einer Spezialzange dieser Spalt und damit der Radius der Kühlkanalabdeckung reduziert werden. Bei höheren Motordrehzahlen ist wegen der - dabei auftretenden erheblichem Massenkräfte dennoch eine relativ große Gefahr des Verdrehens der Kühlkanalabdeckung gegeben.
  • Eine bessere Verdrehsicherung bietet die in der DE 41 37 126 beschriebene konstruktive Ausgestaltung des Abdeckringes, wonach in dessen radial äußeren Rand Ausnehmungen eingeformt sind. Der Abdeckring wird im Kolben dadurch befestigt, dass dessen radial äußerer Rand in eine Nut eingeführt wird, die sich auf der Innenseite einer Ringwand befindet. In diese Nut sind Stege eingearbeitet, die nach dem Einsetzen des Ringes in die Ausnehmungen eingreifen und dadurch ein Verdrehen des Abdeckringes verhindern. Diese Art der Verdrehsicherung aber ist sehr aufwendig, da hierbei zunächst eine umlaufende Nut in die Innenseite der Ringwand eingefräst werden muss. Anschließend müssen an den dafür vorgesehenen-Stellen die Stege in die Nut eingearbeitet werden.
  • Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruches stehenden Merkmalen.
  • Hierbei wird auf einfache und preisgünstige Weise erreicht, dass die Kühlkanalabdeckung absolut verdrehsicher in dem Kolben eingebaut ist, indem in den radial linearen Bereich einer tellerfederförmigen Kühlkanalabdeckung eine Zunge eingestanzt wird, und diese Zunge leicht verbogen wird, sodass sie in eine in die Kolbenaußenseite eingeformte Ausnehmung eingreifen kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    einen Kolben in einem zweiteiligen Schnittbild, dessen linke Hälfte einen Schnitt durch den Kolben entlang einer Längsachse einer Nabenbohrung und dessen rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Schnitt durch den Kolben zeigen,
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung eines von einer tellerfederartigen Kühlkanalab- deckung verschlossenen Kühlkanals des Kolbens,
    Fig. 3
    einen Teil der Kühlkanalabdeckung, der eine von zwei nebeneinanderlie- gende Ausstanzungen gebildete Zunge zeigt,
    Fig. 4
    einen Schnitt durch die Kühlkanalabdeckung im Bereich der Zunge entlang der Linie CC in Fig. 3,
    Fig. 5
    einen Teilschnitt entlang der Linie AA in Fig. 2 im Bereich der Nabenabstüt- zung, in die eine Ausnehmung zur Aufnahme der Zunge der Kühlkanalabde- ckung eingeformt ist, und
    Fig. 6
    einen Teilschnitt entlang der Linie BB in Fig. 2, die einen Teil der auf einem Vorsprung der Nabenabstützung aufliegenden Kühlkanalabdeckung zeigt, deren Zunge in die Ausnehmung der Nabenabstützung eingreift.
  • In Figur 1 ist ein mehrteiliger, gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Kolbenoberteil 2 mit einer Verbrennungsmulde 3 im Kolbenboden 30 und mit einer Ringwand 4 mit Ringpartie 5 im radial äußeren Kolbenbereich und aus einem Kolbenunterteil 6 besteht, das einen kastenförmigen Kolbenschaft 7 und zwei damit verbundene Bolzennaben 8 mit je einer Bolzenbohrung 9 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Kolbenbolzens umfasst. Das Kolbenoberteil 2 weist einen äußeren ringförmigen Kühlkanal 10 und einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren Kühlkanal 11 auf, wobei der äußere Kühlkanal 10 von einer tellerfederartigen, leicht konisch geformten und als einteiliger, geschlossener Ring ausgebildeten Kühlkanalabdeckung 12 verschlossen ist, die in den Figuren nicht dargestellte Öffnungen zum Ein- und Ausleiten von Kühlöl aufweist. Der äußere Kühlkanal 10 ist über mindestens einen Überlaufkanal 13 mit dem inneren Kühlkanal 11 verbunden ist. Dieser Überlaufkanal 13 kann als Bohrung ausgebildet sein. Der innere Kühlkanal 11 weist mindestens eine Ablaufbohrung 14 auf, über die das Kühlöl aus dem inneren Kühlkanal 11 auslaufen kann.
  • Das Kolbenoberteil 2 ist hierbei über eine ringförmige Auflagefläche 15, die auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Unterseite des Kolbenoberteiles 2 angeordnet ist, auf einer oberen Auflagefläche 16 einer ringförmigen Nabenabstützung 17 des Kolbenunterteils 6 gelagert.
  • Auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Unterseite weist das Kolbenoberteil 2 einen mittig und koaxial zur Kolbenachse 18 angeordneten Bolzen 19 auf, dessen Ende 20 mit einem Gewinde 21 versehen ist. Ein nach radial innen an die Nabenabstützung 17 angrenzende Bereich 22 des Kolbenunterteils 6, der gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 den inneren Kühlkanal 11 begrenzt, ist relativ dünnwandig ausgebildet und ist in seiner Mitte mit einer koaxial zur Kolbenachse 18 angeordneten Bohrung 23 versehen, die ein auf das Gewinde 21 des Bolzens 19 passendes Innengewinde 24 aufweist. Mittels der von der Gewindebohrung 23 und von dem Gewindebolzen 19 gebildeten Schraubverbindung wird der aus Ober- und Unterteil 2, 6 bestehende Kolben 1 zusammengehalten.
  • Das Kolbenoberteil 2 besteht aus Stahl und kann entweder geschmiedet oder im Stranggussverfahren hergestellt werden. Das Kolbenunterteil 6 wird bevorzugter weise aus Stahl geschmiedet.
  • In Fig. 2 ist der von der tellerfederartigen Kühlkanalabdeckung 12 verschlossene Kühlkanal 10 vergrößert dargestellt, sodass erkennbar ist, dass der radial äußere Bereich 12' der Kühlkanalabdeckung 12 in einer radial innen liegenden, stufenförmigen Ausnehmung 27 lagert, die in die nabenzugewandte Stirnfläche 26 der Ringwand 4 eingeformt ist, und dass der radial innere Bereich 12" der Kühlkanalabdeckung 12 auf einem an die Nabenabstützung 17 angeformten Vorsprung 29 aufliegt. Weiterhin ist erkennbar, dass der innere Bereich 12" der Kühlkanalabdeckung 12 eine in Nabenrichtung gebogene Zunge 25 aufweist, die in eine radial außen in den Vorsprung 29 eingearbeitete Ausnehmung 28 eingreift, um dadurch eine Sicherung der Kühlkanalabdeckung 12 gegen Verdrehen bei der Montage und im Motorbetrieb zu erreichen.
  • Der besseren Verdeutlichung dieser letzteren Merkmale dienen die Figuren 3 bis 6. Fig. 3 zeigt in Draufsicht einen Teil der Kühlkanalabdeckung 12, in deren inneren Bereich 12" von zwei nebeneinanderliegenden Ausstanzungen 31 und 32 die Zunge 25 gebildet wird, die, wie Fig. 4, einem Schnittbild der Kühlkanalabdeckung 12 entlang der Linie CC in Fig. 3, zeigt, aus der von der Kühlkanalabdeckung 12 gebildeten, fiktiven Ebene weggebogen ist und mit dem inneren Bereich 12" der Kühlkanalabdeckung 12 einen spitzen Winkel □ einschließt.
  • Fig. 5, ein Teilschnitt durch die Nabenabstützung 17 (ohne Darstellung der Kühlkanalabdeckung 12) entlang der Linie AA in Fig. 2, zeigt Form und Anordnung der in die radiale Außenseite der Nabenabstützung 17 eingeformten Ausnehmung 28 zur Aufnahme der Zunge 25.
  • In Fig. 6, einem Schnitt entlang der Linie BB in Fig. 2, ist zu sehen, wie die Kühlkanalabdeckung 12 auf dem an die Nabenabstützung 17 angeformten Vorsprung 29 aufliegt, wobei die Zunge 25 in die Ausnehmung 28 eingreift, um eine Verdrehsicherung der Kühlkanalabdeckung 12 zu gewährleisten, die insb. bei der Montage des Kolbens 1 wichtig ist.
  • Hierbei wird zunächst die tellerfederförmige Kühlkanalabdeckung 12 auf das Kolbenunterteil derart aufgelegt, dass, wie in Fig. 6 gezeigt ist, die Zunge 25 in die Ausnehmung 28 eingreift. Anschließend wird das Kolbenoberteil 2 auf das Kolbenunterteil 6 aufgeschraubt, wobei der Gewindebolzen 19 des Kolbenoberteils 2 in die Gewindebohrung 23 des Bereiches 22 eingeschraubt wird. Hierbei bewirkt die Elastizität des relativ dünnwandigen Bereiches 22, dass dieser sich beim Zusammenschrauben von Kolbenober- und Kolbenunterteil 2, 6 wie eine Tellerfeder verformt und sich das innere, mit der Gewindebohrung 23 versehene Zentrum des Bereiches 22 in Richtung Kolbenoberteil 2 aufwölbt. Hierdurch wird vom Bereich 22 eine Vorspannung auf die Schraubverbindung zwischen Kolbenober- und Kolbenunterteil 2, 6 ausgeübt, die die Festigkeit der Montage von Kolbenober- und Kolbenunterteil 2, 6 vergrößert, sodass sich eine zusätzliche Kontermutter zum Erreichen einer dauerhaften Montageverbindung erübrigt. Dabei bleibt die relative Position der Kühlkanalabdeckung 12 gegenüber dem Kolbenunterteil 6 wegen der Drehhemmung, die von der in die Ausnehmung 28 eingreifenden Zunge 25 bewirkten wird, erhalten.
  • Die konische Form der Kühlkanalabdeckung 12 ist im entspannten Zustand ausgeprägter als im eingebauten Zustand. Beim Zusammenschrauben von Kolbenober- und Kolbenunterteil 2, 6 wird die Konizität der Kühlkanalabdeckung 12 reduziert, d.h., die Form der Kühlkanalabdeckung 12 wird flacher, und in der Kühlkanalabdeckung 12 wird eine Vorspannung erzeugt, die nach der Endmontage des Kolbens 1 gewährleistet, dass die Kühlkanalabdeckung 12 teils in der Ausnehmung 27 der Stirnfläche 26 und teils auf dem Vorsprung 29 fest aufliegt, und dass eine sichere und feste Montage der Kühlkanalabdeckung 12 im Kolben 1 auch bei schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 gewährleistet ist, die im Motorbetrieb üblich sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolben
    2
    Kolbenoberteil .
    3
    Verbrennungsmulde
    4
    Ringwand
    5
    Ringpartie
    6
    Kolbenunterteil
    7
    Kolbenschaft, Schaftelement
    8
    Bolzennabe
    9
    Bolzenbohrung
    10
    äußerer Kühlkanal
    11
    innerer Kühlkanal
    12
    Kühlkanalabdeckung, Ring
    12'
    äußerer Bereich der Kühlkanalabdeckung 12
    12"
    innerer Bereich der Kühlkanalabdeckung 12
    13
    Überlaufkanal
    14
    Ablaufbohrung
    15
    Auflagefläche
    16
    Auflagefläche
    17
    Nabenabstützung
    18
    Kolbenachse
    19
    Bolzen, Gewindebolzen
    20
    Ende des Bolzens 19
    21
    Gewinde
    22
    Bereich
    23
    Bohrung, Gewindebohrung
    24
    Innengewinde
    25
    Zunge
    26
    Stirnfläche der Ringwand 4
    27
    Ausnehmung
    28
    Ausnehmung
    29
    Vorsprung
    30
    Kolbenboden
    31, 32
    Ausstanzung

Claims (2)

  1. Mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor
    - mit einem Kolbenoberteil (2)
    = das den Kolbenboden (30) bildet,
    = das auf der dem Kolbenboden (30) abgewandten Unterseite radial außen einen ringförmigen Kühlkanal (10) aufweist,
    = das eine den Kühlkanal (10) nach radial außen begrenzende Ringwand (4) mit einer Ringpartie (5) auf deren radialer Außenseite aufweist, und
    = auf dessen Unterseite ein zentral und koaxial zur Kolbenachse (18) gelegener Bolzen (19) mit einem Gewinde (21) angeordnet ist,
    - mit einer als tellerfederartiger Ring ausgebildeten Kühlkanalabdeckung (12) zum Verschließen des Kühlkanals (10), und
    - mit einem Kolbenunterteil (6);
    = das zwei Bolzennaben (8) und die Bolzennaben (8) miteinander verbindende Schaftelemente (7) aufweist, und
    = das einen die Schaftelemente (7) und die Bolzennaben (8) kolbenbodenseitig miteinander verbindenden Bereich (22) aufweist, in den eine zentral und koaxial zur Kolbenachse (18) gelegene Bohrung (23) mit einem auf das Gewinde (21) des Bolzens (19) passenden Innengewinde (24 eingeformt ist, sodass nach Auflegen der Kühlkanalabdeckung (12) auf einen radial außen an das Kolbenunterteil (6) nahe dem Kühlkanal (10) angeformten Vorsprung (29) das Kolbenoberteil (2) und das Kolbenunterteil (6) über den Gewindebolzen (19) und die Gewindebohrung (23) miteinander verschraubbar sind, wobei der radial äußere Bereich (12') der Kühlkanalabdeckung (12) auf der kolbenbodenabgewandten Stirnfläche (26) der Ringwand (4) und der radial innere Bereich (12") der Kühlkanalabdeckung (12) auf dem Vorsprung (29) unter Spannung aufliegen,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass in den radial inneren Bereich (12") der Kühlkanalabdeckung (12) zwei nach radial innen gerichtete Ausstanzungen (31,32) mit einem derartigen Abstand voneinander eingebracht sind, dass sich dazwischen eine nach radial innen gerichtet Zunge (25) ergibt
    - dass die Zunge (25) mit dem inneren Bereich (12") der Kühlkanalabdeckung (12) einen spitzen Winkel (α) einschließt, und
    - dass der Vorsprung (29) radial außen eine Ausnehmung (28) aufweist, in die beim Zusammenschrauben von Kolbenoberteil (2) und Kolbenunterteil (6) die Zunge (25) der Kühlkanalabdeckung (12) eingreift.
  2. Mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanalabdeckung (12) als einteiliger und geschlossener Ring ausgebildet.
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