EP2162612B1 - Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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EP2162612B1
EP2162612B1 EP08758195.5A EP08758195A EP2162612B1 EP 2162612 B1 EP2162612 B1 EP 2162612B1 EP 08758195 A EP08758195 A EP 08758195A EP 2162612 B1 EP2162612 B1 EP 2162612B1
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EP
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piston
shaft
cooling channel
piston head
channel cover
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Rainer Scharp
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a two-part piston for an internal combustion engine consisting of an upper part and a lower part, with a piston crown formed by the upper part and a radially outwardly formed on the piston crown ring portion, with two lower part formed, opposite shaft elements and two opposing pin bosses that connect the shaft elements together.
  • a two-piece piston for an internal combustion engine which consists of an upper part and a lower part.
  • the piston has radially outside and close to the piston head to a circumferential cooling channel, the piston crown side of the upper part and the shaft side is closed by a cooling channel cover, which is part of the lower part.
  • a cooling channel cover which is part of the lower part.
  • two mutually opposite shaft elements are integrally formed on the cooling channel cover, which are connected to each other via two mutually opposite pin bosses, wherein the pin bosses are integrally formed via a respective hub connection to the cooling channel cover.
  • German patent application DE 10 2004 057 624 A1 is a two-part, made entirely of steel, screwed piston known which has a piston near the bottom and radially outer, annular cooling channel, which is closed in a complex manner by a separate cover plate.
  • the object of the present invention is to reduce the weight of two-piece pistons, in particular those produced for commercial vehicles, without reducing their strength.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a consisting of an upper part and a lower part, two-part cooling channel piston with recesses between the lower cooling channel cover and the upper portion of the shaft elements and in the hub connections.
  • the piston 1 shown in section in the figure consists of an upper part 2 and a lower part 3.
  • the upper part 2 forms the piston head 4, in which a combustion bowl 5 is formed.
  • Radially outward, the piston 1 near the piston head 4 has a circumferential ring portion 6 with grooves 7, 7 ', 8 for receiving in the figure unillustrated piston rings, wherein the grooves 7, 7' are formed in the upper part 2 of the piston 1.
  • the piston head side limits the upper part 2 a closed, radially outer circumferential cooling channel 9, which is closed on the piston bottom side facing away from a cooling channel cover 10, which is part of the lower part 3, and an opening 11 for introducing cooling oil into the cooling channel 9 and another, In the figure, not shown opening for discharging cooling oil from the cooling channel 9 has.
  • an upwardly directed collar 25 is formed for receiving a ⁇ labstreifringes not shown in the figure.
  • the lower part 3 further comprises two mutually opposite shaft elements 12, 13, of which the right half section of the sectional image, which is parallel to the pressure-counterpressure direction of the piston 1, which shows a shaft member 12 in section, and of which the left half section of the sectional image, which is perpendicular to the sectional plane of the right half section, the other shaft member 13 shows in plan view.
  • the shaft elements 12, 13 are connected via a respective shaft connection 14, 15 with the lower cooling channel cover 10.
  • the shaft elements 12, 13 are connected to one another via two pin bosses 16, 17, which are opposite one another and are each integrally formed on the cooling channel cover 10 via a respective hub connection 18, 19.
  • the shaft connections 14, 15 pass seamlessly into the hub connections 18, 19.
  • the piston 1 has a recess 20
  • the piston bottom side of the cooling channel cover 10 and the shaft side of the shank connections 14, 15 is limited
  • the undersides of the shank connections 14, 15 with the tops of the shaft elements 12, 13 and the upper sides of the shaft connections 14, 15 are connected to the radially inner region of the cooling channel cover 10.
  • the shaft connections 14, 15 in the region of the shaft elements 12, 13 are at least approximately frusto-conical and form in this area with the piston axis 23 an angle ⁇ of approximately 45 °.
  • the maximum axial dimension h of the recesses 20 between the upper side of the shaft elements 12, 13 and the underside of the ring section 6 corresponds approximately to the dimension between the underside of the ring section 6 and the surface of the piston crown 4.
  • the upper part 2 and the lower part 3 of the piston 1 can be made of cast iron, steel or light metal, such as aluminum or magnesium. It is advantageous, the combustion gases directly exposed shell 2 made of steel and the lower part 3 for the purpose of weight savings To produce aluminum.
  • the upper part 2 and the lower part 3 can be connected via the annular contact regions 21 and 22 by means of a welding process, such as the friction welding process, or by means of the brazing process. It is also possible to screw the upper part 2 with the lower part 3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Oberteil und einem damit verbundenen Unterteil, mit einem vom Oberteil gebildeten Kolbenboden und einer radial außen an den Kolbenboden angeformten Ringpartie, mit zwei vom Unterteil gebildeten, einander gegenüberliegende Schaftelemente und mit zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben, die die Schaftelemente miteinander verbinden.
  • Aus der US-Patentschrift US 6 557 514 B1 ist ein zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Oberteil und einem Unterteil besteht. Der Kolben weist radial außen und nahe dem Kolbenboden einen umlaufenden Kühlkanal auf, der kolbenbodenseitig vom Oberteil und schaftseitig von einer Kühlkanalabdeckung verschlossen ist, die Teil des Unterteils ist. Radial außen sind an die Kühlkanalabdeckung zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente angeformt, die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben miteinander verbunden sind, wobei die Bolzennaben über je eine Nabenanbindung an die Kühlkanalabdeckung angeformt sind. Hergestellt werden das Oberteil und das Unterteil des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens aus Stahl.
  • Aus der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 057 624 A1 ist ein aus zwei Teilen bestehender, komplett aus Stahl hergestellter, geschraubter Kolben bekannt, der einen in Kolbenbodennähe und radial außen liegenden, ringförmigen Kühlkanal aufweist, der auf aufwändige Weise von einem separaten Abdeckblech verschlossen ist.
  • Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2007/031067 A1 ist ein ebenfalls aus Stahl hergestellter Kolben bekannt, bei dem lediglich die Ringwand als separates Oberteil mit dem Grundkörper der Kolbens verschraubt ist.
  • US 7 946 216 B2 zeigt einen zweiteiligen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs der vorliegenden Patentanmeldung.
  • Aus einem Ober- und einem Unterteil bestehende Kolben werden üblicherweise für Nutzkraftfahrzeuge hergestellt. Diese Kolben weisen deshalb in der Regel relativ große Abmessungen und damit ein relativ großes Gewicht auf.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Gewicht zweiteiliger und insbesondere für Nutzkraftfahrzeuge hergestellter Kolben zu reduzieren, ohne deren Festigkeit zu verringern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Hierbei werden wegen der Ausnehmungen Teile der Schaftanbindung nach radial innen verlegt, wodurch wegen des geringeren Radius dieser Teile deren Masse und damit deren Gewicht reduziert wird. Dadurch, dass die Schaftanbindungen kolbenbodenseitig mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung verbunden ist, bleibt die Festigkeit des Kolbens erhalten, und werden Sekundärbewegungen des Kolbens weitgehend vermieden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Sie zeigt ein Schnittbild eines aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden, zweiteiligen Kühlkanalkolbens mit Ausnehmungen zwischen der unteren Kühlkanalabdeckung und dem oberen Bereich der Schaftelemente und im Bereich der Nabenanbindungen.
  • Der in der Figur im Schnitt dargestellt Kolben 1 besteht aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3. Das Oberteil 2 bildet den Kolbenboden 4, in den eine Verbrennungsmulde 5 eingeformt ist. Radial außen weist der Kolben 1 nahe dem Kolbenboden 4 eine umlaufende Ringpartie 6 mit Nuten 7, 7', 8 zur Aufnahme in der Figur nicht dargestellter Kolbenringe auf, wobei die Nuten 7, 7' in das Oberteil 2 des Kolbens 1 eingeformt sind.
  • Kolbenbodenseitig begrenzt das Oberteil 2 einen geschlossenen, radial außen umlaufenden Kühlkanal 9, der auf der kolbenbodenabgewandten Unterseite von einer Kühlkanalabdeckung 10 verschlossen wird, die Teil des Unterteiles 3 ist, und die eine Öffnung 11 zum Einleiten von Kühlöl in den Kühlkanal 9 und eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Öffnung zum Ausleiten von Kühlöl aus dem Kühlkanal 9 aufweist. An die Kühlkanalabdeckung 10 ist kolbenbodenseitig, radial außen ein nach oben gerichteter Kragen 25 angeformt, in den radial außen die Nut 8 der Ringpartie 6 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Ölabstreifringes eingeformt ist.
  • Das Unterteil 3 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 12, 13 auf, von denen der rechte Halbschnitt des Schnittbildes, der parallel zur Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens 1 liegt, das eine Schaftelement 12 im Schnitt zeigt, und von denen der linke Halbschnitt des Schnittbildes, der senkrecht zur Schnittebene des rechten Halbschnittes liegt, das andere Schaftelement 13 in Draufsicht zeigt.
  • Die Schaftelemente 12, 13 sind über je eine Schaftanbindung 14, 15 mit der unteren Kühlkanalabdeckung 10 verbunden. Die Schaftelemente 12, 13 sind über zwei einander gegenüberliegende und über je eine Nabenanbindung 18, 19 an die Kühlkanalabdeckung 10 angeformte Bolzennaben 16, 17 miteinander verbunden. Über den Umfang des Kolbens 1 betrachtet gehen hierbei die Schaftanbindungen 14, 15 lückenlos in die Nabenanbindungen 18, 19 über.
  • Zwischen jedem der Schaftelementen 12, 13 und der Ringpartie 6 weist der Kolben 1 eine Ausnehmung 20 auf, die kolbenbodenseitig von der Kühlkanalabdeckung 10 und schaftseitig von den Schaftanbindungen 14, 15 begrenzt wird, wobei die Unterseiten der Schaftanbindungen 14, 15 mit den Oberseiten der Schaftelementen 12, 13 und die Oberseiten der Schaftanbindungen 14, 15 mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung 10 verbunden sind. Hierdurch ergibt sich, dass die Schaftanbindungen 14, 15 im Bereich der Schaftelemente 12, 13 zumindest näherungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet sind und in diesem Bereich mit der Kolbenachse 23 einen Winkel α von näherungsweise 45° bilden. Die maximale axiale Abmessung h der Ausnehmungen 20 zwischen der Oberseite der Schaftelemente 12, 13 und der Unterseite der Ringpartie 6 entspricht näherungsweise der Abmessung zwischen der Unterseite der Ringpartie 6 und der Oberfläche des Kolbenbodens 4.
  • Weiterhin sind radial außen in die Nabenanbindungen 18, 19 im Schnitt kreissegmentförmige Ausnehmungen 24 eingeformt, die stetig in die im Bereich der Schaftelemente 12, 13 angeordnete Ausnehmungen 20 übergehen. Die Ausnehmungen 20 führen zu einer weiteren Reduktion des Kolbengewichtes.
  • Hergestellt werden können das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 aus Gusseisen, aus Stahl oder aus Leichtmetall, wie beispielsweise aus Aluminium oder aus Magnesium. Vorteilhaft ist es, das den Verbrennungsgasen direkt ausgesetzte Oberteil 2 aus Stahl und das Unterteil 3 zum Zweck der Gewichtsersparnis aus Aluminium herzustellen. Verbunden werden können das Oberteil 2 und das Unterteil 3 über die ringförmigen Kontaktbereiche 21 und 22 mit Hilfe eines Schweißverfahrens, wie beispielsweise des Reibschweißverfahrens, oder mit Hilfe des Hartlötverfahrens. Möglich ist auch, das Oberteil 2 mit dem Unterteil 3 zu verschrauben.
    • Bezugszeichenliste
    • h
    axiale Abmessung
    1
    Kolben
    2
    Oberteil des Kolbens 1
    3
    Unterteil des Kolbens 1
    4
    Kolbenboden
    5
    Verbrennungsmulde
    6
    Ringpartie
    7, 7',
    8 Nut
    9
    Kühlkanal
    10
    Kühlkanalabdeckung
    11
    Öffnung
    12, 13
    Schaftelement
    14, 15
    Schaftanbindung
    16, 17
    Bolzennabe
    18, 19
    Nabenanbindung
    20
    Ausnehmung
    21, 22
    Kontaktbereich
    23
    Kolbenachse
    24
    Ausnehmung
    25
    Kragen

Claims (4)

  1. Zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor,
    - bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verbundenen Unterteil (3),
    - mit einem vom Oberteil (2) gebildeten Kolbenboden (4) und einer radial außen an den Kolbenboden (4) angeformten Ringpartie (6),
    - mit einem radial außen und nahe dem Kolbenboden (4) angeordneten, umlaufenden, geschlossenen Kühlkanal (9),
    - wobei der kolbenbodenzugewandte, obere Bereich des Kühlkanals (4) ausschließlich vom Oberteil (2) begrenzt ist,
    - wobei der Kühlkanal (4) auf seiner Unterseite von einer Kühlkanalabdeckung (10) verschlossen ist, die Teil des Unterteils (3) ist,
    - mit 2 über je eine Schaftanbindung (14, 15) mit der Kühlkanalabdeckung (10) verbundene und einander gegenüberliegende Schaftelemente (12,13),
    - mit 2 über je eine Nabenanbindung (18, 19) mit der Kühlkanalabdeckung (10) verbundene, einander gegenüberliegende Bolzennaben (16,17), die die Schaftelemente (12,13) miteinander verbinden,
    - wobei über den Umfang des Kolben (1) betrachtet die Schaftanbindungen (14,15) lückenlos in die Nabenanbindungen (18,19) übergehen,
    - und mit im Bereich der Schaftelemente (12, 13) umlaufenden Ausnehmungen (20), die kolbenbodenseitig von der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig von den Schaftanbindungen (14, 15) begrenzt sind, wobei die Schaftanbindungen (14, 15) kolbenbodenseitig in den radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig in den oberen Bereichen der Schaftelemente (12, 13) einstückig übergehen,
    gekennzeichnet durch
    einen kolbenbodenseitig, radial außen an die Kühlkanalabdeckung (10) angeformten, nach oben gerichteten Kragen (25), in den radial außen eine Nut (8) zur Aufnahme eines Ölabstreifrings eingeformt ist..
  2. Kolben (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Bereich der Nabenanbindungen (18, 19) umlaufende, im Schnitt kreissegmentförmige Ausnehmungen (24), die stetig in die im Bereich der Schaftelemente (12, 13) angeordneten Ausnehmungen (20) übergehen.
  3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftanbindungen (14, 15) im Bereich der Schaftelemente (12, 13) zumindest näherungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet sind und in diesen Bereichen mit der Kolbenachse (23) einen Winkel α von näherungsweise 45° bilden.
  4. Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale axiale Abmessung "h" der Ausnehmungen (20) zwischen der Oberseite der Schaftelemente (12, 13) und der Unterseite der Ringpartie (6) näherungsweise der Abmessung zwischen der Unterseite der Ringpartie (6) und der Oberfläche des Kolbenbodens (4) entspricht.
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