EP3004611A1 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents

Piston for an internal combustion engine

Info

Publication number
EP3004611A1
EP3004611A1 EP14753002.6A EP14753002A EP3004611A1 EP 3004611 A1 EP3004611 A1 EP 3004611A1 EP 14753002 A EP14753002 A EP 14753002A EP 3004611 A1 EP3004611 A1 EP 3004611A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling channel
piston head
head
piston according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14753002.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Scharp
Peter Kemnitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP3004611A1 publication Critical patent/EP3004611A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/18—Pistons  having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown, a circumferential land land, a circumferential ring part with annular grooves and in the region of the ring part a circumferential closed cooling channel with a cooling channel bottom and a cooling duct ceiling.
  • the object of the present invention is to further develop a generic piston so that an optimized heat dissipation takes place from the piston head during engine operation.
  • the solution is that the cooling channel bottom is arranged above the lowermost annular groove.
  • the cooling channel in the axial direction usually extends to the level of the lowest annular groove and below, in order to achieve with the aid of the largest possible cooling channel sufficient cooling, especially of steel pistons in engine operation. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between the cooling duct ceiling, i. a very hot area, and the cooling channel bottom, i. a comparatively cool area, back and forth. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there. It also takes place due
  • CONFIRMATION COPY the low thermal gradient in the direction of the ring part and piston shaft only a comparatively low heat dissipation from the cooling oil instead.
  • the piston according to the invention is distinguished by the fact that the cooling channel is shortened in the axial direction compared to the prior art. This has the consequence that the cooling oil in particular in the region of the cooling channel bottom in greater proximity to the highly heat-loaded cooling channel bottom and thus moves in total in hotter areas than is the case in the prior art. Therefore, in each phase of the piston movement takes place heat absorption from the hot areas of the piston head into the cooling oil. In particular, if the amount of cooling oil known from the prior art is maintained and the cooling oil supply is set up so that the cooling oil is rapidly exchanged during engine operation, a significantly improved cooling of the piston head results in comparison with the prior art.
  • the cooling channel bottom between the first annular groove and the second annular groove is arranged to further increase the cooling power by the cooling oil moves in engine operation in even greater proximity to the hot piston bottom.
  • an at least partially circumferential recess is introduced into the piston head in the piston head below the cooling channel bottom.
  • a further preferred embodiment provides that the height of the top land is at most 9% of the nominal diameter of the piston head. This causes a particularly advantageous for heat dissipation positioning of the cooling channel with respect to the piston crown and the ring section.
  • the distance between the piston crown and the bottom of the cooling channel can be between 11% and 17% of the nominal diameter of the piston head.
  • the height of the cooling channel can be 0.8 times to 1.7 be fold of its width.
  • the distance between the piston head and the cooling channel ceiling can be between 3% and 7% of the nominal diameter of the piston head.
  • the compression height may, for example, be between 38% and 45% of the nominal diameter of the piston head.
  • a combustion bowl is formed in the piston head and that the smallest wall thickness in the radial direction between the combustion bowl and the cooling channel is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter of the piston head.
  • the combustion bowl may, for example, be provided with an undercut in order to determine the wall thickness between the combustion bowl and the cooling channel.
  • the recess below the cooling channel bottom preferably has a U-shaped or oval cross section in order to avoid the formation of sharp edges and thus to minimize the risk of mechanical stresses in the material.
  • the piston according to the invention may be formed as a one-piece piston, or it may, for example, be composed of at least two non-detachably interconnected components.
  • the piston according to the invention can have a piston main body and a circumferential bowl edge reinforcement.
  • the piston according to the invention may, for example, also have a piston main body and a revolving piston bottom element.
  • the present invention is particularly suitable for pistons of at least one steel material. Embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section
  • Figure 2 is an overall view of two further embodiments of the piston according to the invention in section;
  • FIG. 3 is an enlarged partial view of the cooling channel and the ring section according to Figures 1 and 2;
  • FIG. 1 Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 4a, 4b according to the present invention
  • FIG. 1 Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 5a, 5b according to the prior art.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 is in the embodiment of a one-piece, cast in a conventional manner with the aid of a salt core piston.
  • the piston 10 is made in the embodiment of a steel material.
  • the piston 10 has a piston head 11 with a combustion bowl 13 having a piston head 12, a peripheral land 14 and a ring portion 15 with annular grooves 16, 17, 18 for receiving piston rings (not shown). In the amount of the ring section 15, a circumferential closed cooling channel 19 is provided.
  • the piston 10 further includes a piston shaft 21 with piston bosses 22 and hub bores 23 for receiving a piston pin (not shown).
  • the Kol hub 22 are connected via hub connections 24 with the underside of the piston head 11.
  • the piston hubs 22 are connected to each other via running surfaces 25.
  • the cooling channel 19 has a cooling channel bottom 26 and a cooling channel cover 27.
  • the cooling channel bottom 26 is arranged approximately between the first annular groove 16 and the second annular groove 17.
  • an at least partially circumferential recess 28 is introduced into the piston head 11 in the exemplary embodiment.
  • the recess 28 has an approximately U-shaped cross-section in the exemplary embodiment.
  • the recess 28 can be incorporated by a forging process in the piston head 11.
  • the recess 28 is provided only above the running surfaces 25 of the piston 10, because the forging tool above the piston boss 22 has too little room for maneuver.
  • the compression height KH is in the embodiment between 38% and 45% of the nominal diameter DN of the piston head eleventh
  • FIG. 2 shows, in a representation rotated by 90 ° with respect to FIG. 1, an overall view of second further exemplary embodiments of pistons 110, 210 according to the invention.
  • the representations of the respective exemplary embodiments are separated by the center line M.
  • the pistons 110, 210 are constructed in a similar manner as the piston 10 according to FIG. 1. Therefore, matching structural elements are provided with the same reference numerals, and reference is made in this regard to the description relating to FIG.
  • the pistons 110, 210 are each composed of two non-detachably interconnected components.
  • the piston 110 (illustration left of the center line M) consists of a piston body 131 and a circumferential bowl edge reinforcement 132.
  • the trough edge reinforcement comprises in the exemplary embodiment, the trough edge of the combustion bowl 13 and a part of the piston crown 12.
  • the trough edge reinforcement 132 can in particular by a welding process, for example. Electron beam welding or laser welding, be connected to the piston body 131.
  • the piston 210 (illustration on the right of the center line M) consists of a piston main body 231 and a circumferential piston bottom element 232.
  • the piston bottom element 232 in the exemplary embodiment comprises the trough edge of the combustion trough 13, the piston head 12, the top land 14 and the uppermost annular groove 16.
  • the piston bottom element 232 can In particular by a welding process, for example. Friction welding, electron beam welding or laser welding, be connected to the piston body 231.
  • FIG. 3 shows, in an enlarged partial view, the cooling channel 19 and the piston bottom 12, a part of the combustion bowl 13 the top land 14, the ring part 15 with the annular grooves 16, 17, 18 of the piston according to the invention and the recess 28 according to FIGS. 1 and 2.
  • the combustion bowl 13 is provided with an undercut 29 to determine the wall thickness between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 (see below).
  • the height h of the top land 14 is at most 9% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • a particularly advantageous for the heat dissipation positioning of the cooling channel 19 with respect to the piston head 12 and the ring section 15 is effected.
  • the distance a between the piston head 12 and the cooling channel bottom 26 is between 11% and 17% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2).
  • the cooling channel 19 is in optimal proximity to the hot Piston bottom 12 and positioned in an optimal position relative to the cooler annular grooves 16, 17, 18.
  • the height c of the cooling passage 19 is 0.8 times to 1.7 times its width d. This design rule causes an optimal volume of the cooling channel 19 and an optimal orientation relative to the hot combustion bowl 13, in particular to the bowl rim, and the hot piston bottom 12 and the cooler annular grooves 16, 17, 18th
  • the distance b between the piston head 12 and the cooling channel cover 27 is between 3% and 7% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (compare FIGS. 1 and 2). This design rule also causes optimal positioning of the cooling channel 19 with respect to the hot piston bottom 12.
  • the smallest wall thickness w in the radial direction between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter DN of the piston head 11. For an improved heat transfer between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is achieved.
  • Figures 4a and 4b and 5a and 5b show schematically the cooling oil movement during engine operation and the temperature zones in the region of the combustion bowl, the piston head, the cooling channel and the annular grooves both for a piston according to the invention ( Figures 4a and 4b) and for a piston according to the state the technique ( Figures 5a and 5b).
  • FIGS. 4 a, 4 b, 5 a, 5 b schematically indicate three heat zones, namely “hot”, “warm” and “cool.” This is intended to illustrate the relative temperature differences in the individual piston areas.
  • the cooling channel is compared to the prior art in the axial direction is shortened. This has the consequence that the cooling oil is moved almost exclusively along the "hot” areas of the piston crown and the combustion bowl, so that heat absorption from the "hot” regions of the piston head into the cooling oil takes place in each phase of the piston movement.
  • the known from the prior art amount of cooling oil should be maintained and the engine management be set up so that the cooling oil is quickly replaced during engine operation.
  • the cooling channel generally extends in the axial direction to the level of the lowest annular groove and below in order to achieve sufficient cooling during engine operation with the aid of the largest possible cooling channel. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between a "hot” area, namely the piston crown and the bowl rim of the combustion bowl and a "cool” area, namely the cooling channel bottom. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there.
  • the piston according to the invention has a significantly improved cooling of the piston head compared to the prior art.

Abstract

The invention relates to a piston (10, 110, 210) for an internal combustion engine, comprising a piston crown (11) and a piston skirt (21), said piston crown (11) comprising a piston head (12), a peripheral top land (14), a peripheral annular zone (15) with annular grooves (16, 17, 18) and in the region of the annular zone (15), a peripheral closed cooling channel (19) with a cooling channel base (26) and a cooling channel cover (27). According to the invention, a peripheral recess (28) is housed in the piston crown (11) below the cooling channel base (26) such that said cooling channel base (26) is arranged above the lowest annular groove (18).

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor  Piston for an internal combustion engine
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg, eine umlaufende Ringpartie mit Ringnuten und im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal mit einem Kühlkanalboden und einer Kühlkanaldecke aufweist. The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a piston crown, a circumferential land land, a circumferential ring part with annular grooves and in the region of the ring part a circumferential closed cooling channel with a cooling channel bottom and a cooling duct ceiling.
In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben im Bereich des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde immer höheren Temperaturbelastungen ausgesetzt. Eine nicht ausreichende Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf führt im Motorbetrieb zu Funktionsbeeinträchtigungen des Kolbens, insbesondere zu einer Verkokung bzw. Ölkohlebildung am Kolben. Dies gilt insbesondere für Kolben aus Stahlwerkstoffen, da Stahl einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten hat und somit ein schlechter Wärmeleiter ist. In modern internal combustion engines, the pistons in the region of the piston crown and the combustion bowl are exposed to ever higher temperature loads. Inadequate heat dissipation from the piston head results in malfunction of the piston during engine operation, in particular coking or carbon formation on the piston. This is especially true for pistons made of steel materials, since steel has a low coefficient of thermal conductivity and thus is a poor conductor of heat.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine optimierte Wärmeableitung aus dem Kolbenkopf stattfindet. The object of the present invention is to further develop a generic piston so that an optimized heat dissipation takes place from the piston head during engine operation.
Die Lösung besteht darin, dass der Kühlkanalboden oberhalb der untersten Ringnut angeordnet ist. The solution is that the cooling channel bottom is arranged above the lowermost annular groove.
Im Stand der Technik erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mithilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung insbesondere von Stahlkolben im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen der Kühlkanaldecke, d.h. einem sehr heißen Bereich, und dem Kühlkanalboden, d.h. einem vergleichsweise kühlen Bereich, hin und her. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt. Ferner findet aufgrund In the prior art, the cooling channel in the axial direction usually extends to the level of the lowest annular groove and below, in order to achieve with the aid of the largest possible cooling channel sufficient cooling, especially of steel pistons in engine operation. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between the cooling duct ceiling, i. a very hot area, and the cooling channel bottom, i. a comparatively cool area, back and forth. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there. It also takes place due
BESTÄTIGUNGSKOPIE des geringen Wärmegradienten in Richtung Ringpartie und Kolbenschaft nur eine vergleichsweise geringe Wärmeableitung aus dem Kühlöl statt. CONFIRMATION COPY the low thermal gradient in the direction of the ring part and piston shaft only a comparatively low heat dissipation from the cooling oil instead.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl insbesondere im Bereich des Kühlkanalbodens in größerer Nähe zum hoch wärmebelasteten Kühlkanalboden und damit insgesamt in heißeren Bereichen bewegt, als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den heißen Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Insbesondere wenn die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge beibehalten und die Kühlölversorgung so eingerichtet wird, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird, ergibt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes. The piston according to the invention is distinguished by the fact that the cooling channel is shortened in the axial direction compared to the prior art. This has the consequence that the cooling oil in particular in the region of the cooling channel bottom in greater proximity to the highly heat-loaded cooling channel bottom and thus moves in total in hotter areas than is the case in the prior art. Therefore, in each phase of the piston movement takes place heat absorption from the hot areas of the piston head into the cooling oil. In particular, if the amount of cooling oil known from the prior art is maintained and the cooling oil supply is set up so that the cooling oil is rapidly exchanged during engine operation, a significantly improved cooling of the piston head results in comparison with the prior art.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous developments emerge from the subclaims.
Vorzugsweise ist der Kühlkanalboden zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut angeordnet, um die Kühlleistung weiter zu steigern, indem sich das Kühlöl im Motorbetrieb in noch größerer Nähe zum heißen Kolbenboden bewegt. Preferably, the cooling channel bottom between the first annular groove and the second annular groove is arranged to further increase the cooling power by the cooling oil moves in engine operation in even greater proximity to the hot piston bottom.
Zweckmäßigerweise ist in den Kolbenkopf unterhalb des Kühlkanalbodens eine zumindest teilweise umlaufende Ausnehmung in den Kolbenkopf eingebracht ist. Conveniently, an at least partially circumferential recess is introduced into the piston head in the piston head below the cooling channel bottom.
Dadurch wird die Kolbenmasse deutlich reduziert. As a result, the piston mass is significantly reduced.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Höhe des Feuerstegs maximal 9 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals in Bezug auf den Kolbenboden und die Ringpartie bewirkt. A further preferred embodiment provides that the height of the top land is at most 9% of the nominal diameter of the piston head. This causes a particularly advantageous for heat dissipation positioning of the cooling channel with respect to the piston crown and the ring section.
In diesem Fall kann der Abstand zwischen dem Kolbenboden und dem Kühlkanalboden zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Zusätzlich oder stattdessen kann die Höhe des Kühlkanals das 0,8-fache bis 1 ,7- fache seiner Breite betragen. Ferner kann alternativ oder kumulativ hierzu der Abstand zwischen dem Kolbenboden und der Kühlkanaldecke zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. Diese Bemessungsregeln erlauben eine optimierte Auslegung und Positionierung des Kühlkanals für alle Kolbengrößen. In this case, the distance between the piston crown and the bottom of the cooling channel can be between 11% and 17% of the nominal diameter of the piston head. In addition, or instead, the height of the cooling channel can be 0.8 times to 1.7 be fold of its width. Furthermore, alternatively or cumulatively, the distance between the piston head and the cooling channel ceiling can be between 3% and 7% of the nominal diameter of the piston head. These design rules allow an optimized design and positioning of the cooling channel for all piston sizes.
Die Kompressionshöhe kann bspw. zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes betragen. The compression height may, for example, be between 38% and 45% of the nominal diameter of the piston head.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass im Kolbenkopf eine Verbrennungsmulde ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers des Kolbenkopfes beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal erzielt. Another particularly preferred embodiment is that a combustion bowl is formed in the piston head and that the smallest wall thickness in the radial direction between the combustion bowl and the cooling channel is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter of the piston head. Thus, an improved heat transfer between the combustion bowl and the cooling channel is achieved.
Die Verbrennungsmulde kann bspw. mit einem Hinterschnitt versehen sein, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kühlkanal zu bestimmen. The combustion bowl may, for example, be provided with an undercut in order to determine the wall thickness between the combustion bowl and the cooling channel.
Die Ausnehmung unterhalb des Kühlkanalbodens weist bevorzugt einen U-förmigen oder ovalen Querschnitt auf, um die Ausbildung scharfer Kanten zu vermeiden und damit die Gefahr mechanischer Spannungen im Werkstoff zu minimieren. The recess below the cooling channel bottom preferably has a U-shaped or oval cross section in order to avoid the formation of sharp edges and thus to minimize the risk of mechanical stresses in the material.
Der erfindungsgemäße Kolben kann als einteiliger Kolben ausgebildet sein, oder er kann bspw. aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt sein. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Kolben einen Kolbengrundkörper und eine umlaufende Muldenrandverstärkung aufweisen. Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. auch einen Kolbengrundkörper und ein umlaufendes Kolbenbodenelement aufweisen. The piston according to the invention may be formed as a one-piece piston, or it may, for example, be composed of at least two non-detachably interconnected components. In particular, the piston according to the invention can have a piston main body and a circumferential bowl edge reinforcement. The piston according to the invention may, for example, also have a piston main body and a revolving piston bottom element.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben aus mindestens einem Stahlwerkstoff geeignet. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung: The present invention is particularly suitable for pistons of at least one steel material. Embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section;
Figur 2 eine Gesamtdarstellung zweier weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; Figure 2 is an overall view of two further embodiments of the piston according to the invention in section;
Figur 3 eine vergrößerte Teildarstellung des Kühlkanals und der Ringpartie gemäß der Figuren 1 und 2; Figure 3 is an enlarged partial view of the cooling channel and the ring section according to Figures 1 and 2;
Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 4a, 4b gemäß der vorliegenden Erfindung; Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 4a, 4b according to the present invention;
Figuren eine schematische Darstellung der Kühlölbewegung in einem Kolben 5a, 5b gemäß dem Stand der Technik. Figures a schematic representation of the cooling oil movement in a piston 5a, 5b according to the prior art.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein einteiliger, in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Salzkernes gegossener Kolben. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Figure 1 shows a first embodiment of a piston 10 according to the invention. The piston 10 is in the embodiment of a one-piece, cast in a conventional manner with the aid of a salt core piston. The piston 10 is made in the embodiment of a steel material.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer Ringpartie 15 mit Ringnuten 16, 17, 18 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender geschlossener Kühlkanal 19 vorgesehen. The piston 10 has a piston head 11 with a combustion bowl 13 having a piston head 12, a peripheral land 14 and a ring portion 15 with annular grooves 16, 17, 18 for receiving piston rings (not shown). In the amount of the ring section 15, a circumferential closed cooling channel 19 is provided.
Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kol- bennaben 22 sind über Nabenanbindungen 24 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 22 sind über Laufflächen 25 miteinander verbunden. The piston 10 further includes a piston shaft 21 with piston bosses 22 and hub bores 23 for receiving a piston pin (not shown). The Kol hub 22 are connected via hub connections 24 with the underside of the piston head 11. The piston hubs 22 are connected to each other via running surfaces 25.
Der Kühlkanal 19 weist einen Kühlkanalboden 26 und eine Kühlkanaldecke 27 auf. Im Ausführungsbeispiel ist der Kühlkanalboden 26 etwa zwischen der ersten Ringnut 16 und der zweiten Ringnut 17 angeordnet. Unterhalb des Kühlkanalbodens 26 ist im Ausführungsbeispiel eine zumindest teilweise umlaufende Ausnehmung 28 in den Kolbenkopf 11 eingebracht. Die Ausnehmung 28 weist im Ausführungsbeispiel einen etwa U-förmigen Querschnitt auf. The cooling channel 19 has a cooling channel bottom 26 and a cooling channel cover 27. In the exemplary embodiment, the cooling channel bottom 26 is arranged approximately between the first annular groove 16 and the second annular groove 17. Below the cooling channel bottom 26, an at least partially circumferential recess 28 is introduced into the piston head 11 in the exemplary embodiment. The recess 28 has an approximately U-shaped cross-section in the exemplary embodiment.
Die Ausnehmung 28 kann durch ein Schmiedeverfahren in den Kolbenkopf 11 eingearbeitet werden. In diesem Fall ist die Ausnehmung 28 nur oberhalb der Laufflächen 25 des Kolbens 10 vorgesehen, weil das Schmiedewerkzeug oberhalb der Kolbennaben 22 zu wenig Bewegungsspielraum hat. Selbstverständlich ist es möglich, den Kolben 10 im Bereich oberhalb der Kolbennaben 22 mittels spanabhebender Verfahren nachzubearbeiten, um eine vollständig umlaufene Ausnehmung 28 zu erhalten (in Figur 2 strichpunktiert angedeutet). The recess 28 can be incorporated by a forging process in the piston head 11. In this case, the recess 28 is provided only above the running surfaces 25 of the piston 10, because the forging tool above the piston boss 22 has too little room for maneuver. Of course, it is possible to post-process the piston 10 in the region above the piston hubs 22 by means of machining processes, in order to obtain a completely circumferential recess 28 (indicated by dot-dash lines in FIG. 2).
Die Kompressionshöhe KH beträgt im Ausführungsbeispiel zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11. The compression height KH is in the embodiment between 38% and 45% of the nominal diameter DN of the piston head eleventh
Figur 2 zeigt in einer gegenüber Figur 1 um 90° gedrehten Darstellung eine Gesamtschau zweiter weiterer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kolben 110, 210. Die Darstellungen der jeweiligen Ausführungsbeispiele sind durch die Mittellinie M getrennt. FIG. 2 shows, in a representation rotated by 90 ° with respect to FIG. 1, an overall view of second further exemplary embodiments of pistons 110, 210 according to the invention. The representations of the respective exemplary embodiments are separated by the center line M.
Die Kolben 110, 210 sind in ähnlicher Weise aufgebaut wie der Kolben 10 gemäß Figur 1. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu Figur 1 verwiesen. The pistons 110, 210 are constructed in a similar manner as the piston 10 according to FIG. 1. Therefore, matching structural elements are provided with the same reference numerals, and reference is made in this regard to the description relating to FIG.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Kolben 110, 210 jeweils aus zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen zusammengesetzt sind. Der Kolben 110 (Darstellung links der Mittellinie M) besteht aus einem Kolbengrundkörper 131 und einer umlaufenden Muldenrandverstärkung 132. Die Muldenrandverstärkung umfasst im Ausführungsbeispiel den Muldenrand der Verbrennungsmulde 13 sowie einen Teil des Kolbenbodens 12. Die Muldenrandverstärkung 132 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 131 verbunden sein. The main difference is that the pistons 110, 210 are each composed of two non-detachably interconnected components. The piston 110 (illustration left of the center line M) consists of a piston body 131 and a circumferential bowl edge reinforcement 132. The trough edge reinforcement comprises in the exemplary embodiment, the trough edge of the combustion bowl 13 and a part of the piston crown 12. The trough edge reinforcement 132 can in particular by a welding process, for example. Electron beam welding or laser welding, be connected to the piston body 131.
Der Kolben 210 (Darstellung rechts der Mittellinie M) besteht aus einem Kolbengrundkörper 231 und einem umlaufenden Kolbenbodenelement 232. Das Kolbenbodenelement 232 umfasst im Ausführungsbeispiel den Muldenrand der Verbrennungsmulde 13, den Kolbenboden 12, den Feuersteg 14 und die oberste Ringnut 16. Das Kolbenbodenelement 232 kann insbesondere durch ein Schweißverfahren, bspw. Reibschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, mit dem Kolbengrundkörper 231 verbunden sein. The piston 210 (illustration on the right of the center line M) consists of a piston main body 231 and a circumferential piston bottom element 232. The piston bottom element 232 in the exemplary embodiment comprises the trough edge of the combustion trough 13, the piston head 12, the top land 14 and the uppermost annular groove 16. The piston bottom element 232 can In particular by a welding process, for example. Friction welding, electron beam welding or laser welding, be connected to the piston body 231.
Figur 3 zeigt in einer vergrößerten Teildarstellung den Kühlkanal 19 sowie den Kolbenboden 12, einen Teil der Verbrennungsmulde 13 den Feuersteg 14, die Ringpartie 15 mit den Ringnuten 16, 17, 18 der erfindungsgemäßen Kolben sowie die Ausnehmung 28 gemäß den Figuren 1 und 2. FIG. 3 shows, in an enlarged partial view, the cooling channel 19 and the piston bottom 12, a part of the combustion bowl 13 the top land 14, the ring part 15 with the annular grooves 16, 17, 18 of the piston according to the invention and the recess 28 according to FIGS. 1 and 2.
Die Verbrennungsmulde 13 ist mit einem Hinterschnitt 29 versehen, um die Wanddicke zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zu bestimmen (siehe dazu unten). The combustion bowl 13 is provided with an undercut 29 to determine the wall thickness between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 (see below).
Es ist bevorzugt, dass die Höhe h des Feuerstegs 14 maximal 9 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird eine für die Wärmeableitung besonders vorteilhafte Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den Kolbenboden 12 und die Ringpartie 15 bewirkt. It is preferred that the height h of the top land 14 is at most 9% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2). Thus, a particularly advantageous for the heat dissipation positioning of the cooling channel 19 with respect to the piston head 12 and the ring section 15 is effected.
Unter Zugrundelegung dieser Bemessenregel für den Feuersteg 14 ist es bevorzugt, dass der Abstand a zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Kühlkanalboden 26 zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (siehe Figuren 1 und 2) beträgt. Damit wird der Kühlkanal 19 in optimaler Nähe zum heißen Kolbenboden 12 sowie in optimaler Lage relativ zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18 positioniert. On the basis of this dimensioning rule for the land 14, it is preferred that the distance a between the piston head 12 and the cooling channel bottom 26 is between 11% and 17% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (see FIGS. 1 and 2). Thus, the cooling channel 19 is in optimal proximity to the hot Piston bottom 12 and positioned in an optimal position relative to the cooler annular grooves 16, 17, 18.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Höhe c des Kühlkanals 19 das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite d beträgt. Diese Bemessungsregel bewirkt ein optimales Volumen des Kühlkanals 19 sowie eine optimale Ausrichtung relative zur heißen Verbrennungsmulde 13, insbesondere zum Muldenrand, sowie zum heißen Kolbenboden 12 und zu den kühleren Ringnuten 16, 17, 18. Moreover, it is preferable that the height c of the cooling passage 19 is 0.8 times to 1.7 times its width d. This design rule causes an optimal volume of the cooling channel 19 and an optimal orientation relative to the hot combustion bowl 13, in particular to the bowl rim, and the hot piston bottom 12 and the cooler annular grooves 16, 17, 18th
Schließlich ist es bevorzugt, dass der Abstand b zwischen dem Kolbenboden 12 und der Kühlkanaldecke 27 zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 (vgl. Figuren 1 und 2) beträgt. Auch diese Bemessungsregel bewirkt eine optimale Positionierung des Kühlkanals 19 in Bezug auf den heißen Kolbenboden 12. Finally, it is preferred that the distance b between the piston head 12 and the cooling channel cover 27 is between 3% and 7% of the nominal diameter DN of the piston head 11 (compare FIGS. 1 and 2). This design rule also causes optimal positioning of the cooling channel 19 with respect to the hot piston bottom 12.
Schlussendlich ist es bevorzugt, dass die geringste Wanddicke w in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers DN des Kolbenkopfes 11 beträgt. Damit wird ein verbesserter Wärmeübergang zwischen der Verbrennungsmulde 13 und dem Kühlkanal 19 erzielt. Finally, it is preferred that the smallest wall thickness w in the radial direction between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is between 2.5% and 4.5% of the nominal diameter DN of the piston head 11. For an improved heat transfer between the combustion bowl 13 and the cooling channel 19 is achieved.
Die Figuren 4a und 4b sowie 5a und 5b zeigen schematisch die Kühlölbewegung im Motorbetrieb sowie die Temperaturzonen im Bereich der Verbrennungsmulde, des Kolbenbodens, des Kühlkanals und der Ringnuten sowohl für einen erfindungsgemäßen Kolben (Figuren 4a und 4b) als auch für einen Kolben gemäß dem Stand der Technik (Figuren 5a und 5b). Figures 4a and 4b and 5a and 5b show schematically the cooling oil movement during engine operation and the temperature zones in the region of the combustion bowl, the piston head, the cooling channel and the annular grooves both for a piston according to the invention (Figures 4a and 4b) and for a piston according to the state the technique (Figures 5a and 5b).
In den Figuren 4a, 4b, 5a, 5b sind schematisch drei Wärmezonen, nämlich„heiß", „warm" und„kühl" bezeichnet. Damit sollen die relativen Temperaturunterschiede in den einzelnen Kolbenbereichen illustriert werden. FIGS. 4 a, 4 b, 5 a, 5 b schematically indicate three heat zones, namely "hot", "warm" and "cool." This is intended to illustrate the relative temperature differences in the individual piston areas.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Figuren 4a und 4b) ist der Kühlkanal gegenüber dem Stand der Technik in axialer Richtung verkürzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich das Kühlöl fast ausschließlich entlang der„heißen" Bereiche des Kolbenbodens und der Verbrennungsmulde bewegt. Daher findet in jeder Phase der Kolbenbewegung eine Wärmeaufnahme aus den„heißen" Bereichen des Kolbenkopfes in das Kühlöl statt. Die aus dem Stand der Technik bekannte Kühlölmenge sollte beibehalten und das Motormanagement so eingerichtet werden, dass das Kühlöl im Motorbetrieb rasch ausgetauscht wird. According to the present invention (Figures 4a and 4b), the cooling channel is compared to the prior art in the axial direction is shortened. This has the consequence that the cooling oil is moved almost exclusively along the "hot" areas of the piston crown and the combustion bowl, so that heat absorption from the "hot" regions of the piston head into the cooling oil takes place in each phase of the piston movement. The known from the prior art amount of cooling oil should be maintained and the engine management be set up so that the cooling oil is quickly replaced during engine operation.
Im Stand der Technik (Figuren 5a und 5b) erstreckt sich der Kühlkanal in axialer Richtung in der Regel bis auf die Höhe der untersten Ringnut und darunter, um mit- hilfe eines möglichst großen Kühlkanals eine ausreichende Kühlung im Motorbetrieb zu erzielen. Aufgrund des Shaker-Effekts bewegt sich das Kühlöl zwischen einem „heißen" Bereich, nämlich dem Kolbenboden und dem Muldenrand der Verbrennungsmulde und einem„kühlen" Bereich, nämlich dem Kühlkanalboden. Aufgrund der deutlich niedrigeren Temperaturen im Bereich des Kühlkanalbodens findet dort praktisch keine Wärmeaufnahme aus dem Kolbenkopf in das Kühlöl mehr statt. In the prior art (FIGS. 5a and 5b), the cooling channel generally extends in the axial direction to the level of the lowest annular groove and below in order to achieve sufficient cooling during engine operation with the aid of the largest possible cooling channel. Due to the shaker effect, the cooling oil moves between a "hot" area, namely the piston crown and the bowl rim of the combustion bowl and a "cool" area, namely the cooling channel bottom. Due to the significantly lower temperatures in the region of the cooling channel bottom, practically no heat absorption from the piston head into the cooling oil takes place there.
Im Ergebnis ergibt sich beim erfindungsgemäßen Kolben im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich verbesserte Kühlung des Kolbenkopfes. As a result, the piston according to the invention has a significantly improved cooling of the piston head compared to the prior art.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kolben (10, 1 0, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (1 ) und einem Kolbenschaft (21), wobei der Kolbenkopf (1 ) einen Kolbenboden (12), einen umlaufenden Feuersteg (14), eine umlaufende Ringpartie (15) mit Ringnuten (16, 17, 18) und im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (19) mit einem Kühlkanalboden (26) und einer Kühlkanaldecke (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (26) oberhalb der untersten Ringnut (18) angeordnet ist. A piston (10, 110, 210) for an internal combustion engine, comprising a piston head (1) and a piston shaft (21), the piston head (1) having a piston crown (12), a peripheral land (14), a circumferential ring portion (15) with annular grooves (16, 17, 18) and in the region of the annular part (15) has a circumferential closed cooling channel (19) with a cooling channel bottom (26) and a cooling channel cover (27), characterized in that the cooling channel bottom (26) is arranged above the lowermost annular groove (18).
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanalboden (26) zwischen der ersten Ringnut (16) und der zweiten Ringnut (17) angeordnet ist. 2. Piston according to claim 1, characterized in that the cooling channel bottom (26) between the first annular groove (16) and the second annular groove (17) is arranged.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Kühlkanalbodens (26) eine zumindest teilweise umlaufende Ausnehmung (28) in den Kolbenkopf (11) eingebracht ist. 3. Piston according to claim 1, characterized in that below the cooling channel bottom (26) an at least partially circumferential recess (28) in the piston head (11) is introduced.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Feuerstegs (14) maximal 9 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt. 4. Piston according to claim 1, characterized in that the height (h) of the top land (14) is at most 9% of the nominal diameter (DN) of the piston head (11).
5. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen dem Kolbenboden (12) und dem Kühlkanalboden (26) zwischen 11 % und 17 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt. 5. Piston according to claim 3, characterized in that the distance (a) between the piston head (12) and the cooling channel bottom (26) between 11% and 17% of the nominal diameter (DN) of the piston head (11).
6. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (c) des Kühlkanals (19) das 0,8-fache bis 1 ,7-fache seiner Breite (d) beträgt. 6. Piston according to claim 3, characterized in that the height (c) of the cooling channel (19) is 0.8 times to 1, 7 times its width (d).
7. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (b) zwischen dem Kolbenboden (12) und der Kühlkanaldecke (27) zwischen 3 % und 7 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt. 7. Piston according to claim 3, characterized in that the distance (b) between the piston head (12) and the cooling channel cover (27) between 3% and 7% of the nominal diameter (DN) of the piston head (11).
8. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshöhe (KH) zwischen 38 % und 45 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt. 8. Piston according to claim 3, characterized in that the compression height (KH) between 38% and 45% of the nominal diameter (DN) of the piston head (11).
9. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenkopf (11) eine Verbrennungsmulde (13) ausgebildet ist und dass die geringste Wanddicke (w) in radialer Richtung zwischen der Verbrennungsmulde (13) und dem Kühlkanal (19) zwischen 2,5 % und 4,5 % des Nenndurchmessers (DN) des Kolbenkopfes (11) beträgt. 9. Piston according to claim 3, characterized in that in the piston head (11) a combustion bowl (13) is formed and that the smallest wall thickness (w) in the radial direction between the combustion bowl (13) and the cooling channel (19) between 2.5 % and 4.5% of the nominal diameter (DN) of the piston head (11).
10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (13) mit einem Hinterschnitt (29) versehen ist. 10. Piston according to claim 8, characterized in that the combustion bowl (13) is provided with an undercut (29).
11. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (28) einen U-förmigen oder ovalen Querschnitt aufweist. 11. Piston according to claim 1, characterized in that the recess (28) has a U-shaped or oval cross section.
12. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er als einteiliger Kolben (10) ausgebildet ist. 12. Piston according to claim 1, characterized in that it is designed as a one-piece piston (10).
13. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (110, 210) aus mindestens zwei unlösbar miteinander verbundenen Bauteilen (131 , 132; 213, 232) zusammengesetzt ist. 13. Piston according to claim 1, characterized in that the piston (110, 210) of at least two non-detachably interconnected components (131, 132, 213, 232) is composed.
14. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kolbengrundkörper (131) und eine umlaufende Muldenrandverstärkung (132) aufweist. 14. Piston according to claim 12, characterized in that it comprises a piston main body (131) and a circumferential bowl edge reinforcement (132).
15. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kolbengrundkörper (213) und ein umlaufenden Kolbenbodenelement (232) aufweist. 15. Piston according to claim 12, characterized in that it comprises a piston main body (213) and a circumferential piston bottom element (232).
16. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens einem Stahlwerkstoff besteht. 16. Piston according to claim 1, characterized in that it consists of at least one steel material.
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