EP3615784B1 - Einteiliger, gegossener kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Einteiliger, gegossener kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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EP3615784B1
EP3615784B1 EP18721724.5A EP18721724A EP3615784B1 EP 3615784 B1 EP3615784 B1 EP 3615784B1 EP 18721724 A EP18721724 A EP 18721724A EP 3615784 B1 EP3615784 B1 EP 3615784B1
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piston
internal combustion
rib
combustion engine
axis
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Georg HOPP
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • 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 one-piece, cast piston for an internal combustion engine.
  • a key requirement for pistons in internal combustion engines is to be able to withstand both the temperatures that occur and the mechanical loads. This must also be achieved by using a piston with the lowest possible weight.
  • the DE 10 2013 214 738 A1 relates to a piston cast from aluminum or an aluminum alloy with ribs on the underside of the piston.
  • Other pistons for an internal combustion engine are known from WO 2006/014741 A2 , US4428330A , US3703126A , DE 102013214738 A1 , EN102014210875A1 and DE 102012008690 A1 .
  • the object of the invention is to provide a piston for an internal combustion engine Create that is improved over the above piston and also meets the requirements.
  • the piston according to the invention for an internal combustion engine is designed and cast in one piece. Furthermore, it has at least one cooling channel and a rib, which is formed on the inside of the piston opposite, or to put it another way, opposite to the bowl bottom of a combustion chamber bowl, in other words on the side of the piston pin boss.
  • the base of the bowl is understood to mean a “bottom” with a largely constant thickness, which delimits the combustion chamber bowl from the underside of the piston.
  • the bottom is thickened in some areas.
  • the piston crown has the combustion bowl formed therein on its upper side, and the piston underside has the ribs, without these contours being related in the manner according to the invention.
  • the cooling channel extends in the direction of the piston axis essentially over all annular grooves and its lower edge is in the direction of the piston axis essentially at the same level as the lower groove flank of the lowest annular groove and/or the lowest point of the combustion bowl.
  • the piston can be produced efficiently, and production by casting opens up a wide range of design options.
  • the rib which will be described in more detail below, can be designed with a shape obtained by forging cannot be produced or cannot be produced economically, for example due to high wear in the forging die.
  • the rib according to the invention formed on the underside of the piston ie the side of the bowl base of a combustion chamber bowl facing away from the combustion area, reinforces and stiffens this mechanically highly stressed area and thereby improves the overall strength properties of the piston.
  • the at least one rib has an advantageous effect with regard to the dissipation of the heat generated in that the heat-conducting cross section is enlarged, and the temperature can thus be reduced in the area of the piston that is also subjected to the highest thermal loads.
  • the piston according to the invention thus meets the requirements in a particularly good manner and can also be produced efficiently.
  • the rib can already be brought into its final shape by casting using appropriate molds, so that post-processing is advantageously unnecessary.
  • the piston according to the invention is preferably used for a diesel engine.
  • At least one rib in the direction of a substantially extends at most from the piston axis remote area of a piston pin boss.
  • at least one rib extends to a left or right area of the gudgeon pin boss, preferably two ribs in the direction of the two mentioned areas.
  • the piston according to the invention is preferably made of an iron material, steel or cast iron. Due to their comparatively high strength, these materials offer the possibility of realizing particularly thin wall thicknesses and thus advantageously saving weight.
  • the inherent thermal conductivity of such materials, which is lower compared to other materials, is compensated according to the invention by the above-described heat dissipation effect of the at least one rib.
  • the piston according to the invention can have one or more coolant inlets and outlets in a known manner, the heat dissipation achieved makes it possible to dispense with a continuous exchange of coolant in the cooling channel.
  • coolant inlets and outlets can be avoided, as can measures for filling the cooling channel, such as coolant nozzles.
  • the cooling channel in the piston according to the invention can thus be closed and filled with coolant, and due to the heat dissipation effect of the at least one rib, a sufficiently low temperature can nevertheless be ensured.
  • the figure shows a section of the piston according to the invention perpendicular to the piston pin axis.
  • the piston 10 has in its upper area, in the direction of the piston axis at approximately the same level, an annular zone 12 on the outside, a preferably closed cooling channel 14 radially inside and a combustion bowl 14 in the central area.
  • a thickening or rib 18 is formed on that side of the bowl base which faces away from the combustion chamber, in other words the Piston pin boss 16 faces.
  • two ribs are formed essentially symmetrically, which extend essentially parallel to the piston pin axis, ie perpendicular to the plane of the drawing, to the lateral areas of the piston pin boss 16 .
  • the ribs 18 are each rounded on their upper side, which is the underside in the orientation shown. This applies equally to the adjacent areas of the piston underside, so that the respective rib 18 is viewed essentially from the outside in as a sequence of a concave, a convex and a concave curvature, which in the example shown into the concave curvature of the underside the combustion bowl 14 passes.
  • the described shape of the rib 18 can advantageously be formed when the piston is cast, so that no post-processing is required.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft einen einteiligen, gegossenen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
  • Eine wesentliche Anforderung an Kolben für Verbrennungsmotoren besteht darin, sowohl den auftretenden Temperaturen als auch den mechanischen Belastungen Stand zu halten. Dies muss darüber hinaus durch einen Kolben mit möglichst geringem Gewicht erreicht werden.
    • STAND DER TECHNIK
  • Aus der DE 101 10 889 C1 geht ein zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor hervor, dessen eines Teil geschmiedet ist, und dessen anderes Teil gegossen sein kann. Ferner ist ein Kühlkanal vorgesehen, und an der Unterseite einer Brennraummulde, zur Kolbenunterseite hin, ist eine Rippe vorgesehen. Durch den zweiteiligen Aufbau ist dieser Kolben jedoch vergleichsweise schwierig herzustellen. Ferner unterliegt die Gestaltungsfreiheit aufgrund des Schmiedens erheblichen Beschränkungen.
  • Die DE 10 2013 214 738 A1 betrifft einen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossenen Kolben mit Rippen an der Kolbenunterseite. Weitere Kolben für einen Verbrennungsmotor sind bekannt aus WO 2006/014741 A2 , US 4428330 A , US 3703126 A , DE 102013214738 A1 , DE 102014210875A1 und DE 102012008690 A1 .
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der gegenüber dem oben genannten Kolben verbessert ist und darüber hinaus den Anforderungen gerecht wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
  • Demzufolge ist der erfindungsgemäße Kolben für einen Verbrennungsmotor einteilig ausgebildet und gegossen. Ferner weist er zumindest einen Kühlkanal und eine Rippe auf, die auf der Kolbeninnenseite, gegenüber, oder anders ausgedrückt, entgegengesetzt zu dem Muldengrund einer Brennraummulde, mit anderen Worten auf der Seite der Kolbenbolzennaben ausgebildet ist. Unter dem Muldengrund wird in dem Zusammenhang ein "Boden" mit weitgehend konstanter Dicke verstanden, der die Brennraummulde zur Kolbenunterseite abgrenzt. Zur Ausbildung der zumindest einen Rippe ist der Boden bereichsweise verdickt. Insbesondere lässt sich im Gegensatz zur Offenbarung der oben genannten DE 10 2013 214 738 A1 die Verdickung des Bodens in einem Querschnitt erkennen, während bei dem Kolben gemäß der genannten Druckschrift der Kolbenboden an seiner Oberseite die darin ausgebildete Brennraummulde, und die Kolbenunterseite die Rippen aufweist, ohne dass diese Konturen in der erfindungsgemäßen Art und Weise in Beziehung stehen. Im weiteren Gegensatz zu der genannten Druckschrift erstreckt sich der Kühlkanal in Richtung der Kolbenachse im Wesentlichen über sämtliche Ringnuten und seine Unterkante liegt in Richtung der Kolbenachse im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie die untere Nutflanke der untersten Ringnut und/oder der tiefste Punkt der Brennraummulde.
  • Durch die einteilige Form ist der Kolben effizient herstellbar, und die Herstellung durch Gießen eröffnet vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Insbesondere kann beispielsweise die nachfolgend noch genauer beschriebene Rippe mit einer Form gestaltet werden, die durch Schmieden nicht herstellbar ist oder, beispielsweise aufgrund von hohem Verschleiß im Schmiedegesenk, nicht wirtschaftlich herstellbar ist.
  • Die erfindungsgemäße an der Unterseite des Kolbens, also der von der Verbrennung abgewandten Seite des Muldengrundes einer Brennraummulde ausgebildete Rippe verstärkt und versteift zum einen diesen mechanisch höchstbelasteten Bereich und verbessert dadurch die Festigkeitseigenschaften des Kolbens insgesamt. Darüber hinaus wirkt die zumindest eine Rippe im Hinblick auf die Abführung der entstehenden Wärme in vorteilhafter Weise dahingehend, dass der wärmeleitende Querschnitt vergrößert wird, und somit in dem auch thermisch höchstbelasteten Bereich des Kolbens die Temperatur reduziert werden kann. Somit wird der erfindungsgemäße Kolben den Anforderungen in besonders guter Weise gerecht und ist darüber hinaus effizient herstellbar. Insbesondere kann die Rippe bereits durch das Gießen mittels entsprechender Formen in die endgültige Gestalt gebracht werden, so dass in vorteilhafter Weise eine Nachbearbeitung unnötig ist. Ferner sei ergänzt, dass der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt für einen Dieselmotor eingesetzt wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Insbesondere im Hinblick auf die Wärmeabfuhr in Richtung der Kolbenbolzennaben, aber auch im Hinblick auf die mechanische Stabilität bietet es Vorteile, wenn sich zumindest eine Rippe im Wesentlichen in Richtung der Achse der Kolbenbolzennaben erstreckt. Somit kann eine Wärmeabfuhr in Richtung der mit vergleichsweise großen Querschnitten ausgebildeten Kolbenbolzennaben und damit letzten Endes eine gute Wärmeabgabe von dem Kolben insgesamt erfolgen.
  • Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem, wie bevorzugt, sich zumindest eine Rippe in Richtung eines im Wesentlichen maximal von der Kolbenachse entfernten Bereichs einer Kolbenbolzennabe erstreckt. Mit anderen Worten, wenn der Kolben in Richtung der Kolbenbolzenachse betrachtet wird, und sich der Kolbenboden mit Brennraummulde oben befindet, erstreckt sich zumindest eine Rippe zu einem linken oder rechten Bereich der Kolbenbolzennabe, bevorzugt zwei Rippen in Richtung der beiden genannten Bereiche.
  • Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben aus einem Eisenwerkstoff, Stahl oder Gusseisen gefertigt. Diese Werkstoffe bieten aufgrund vergleichsweiser hoher Festigkeit die Möglichkeit, besonders dünne Wandstärken zu realisieren, und damit in vorteilhafter Weise Gewicht einzusparen. Die solchen Werkstoffen innewohnende, verglichen mit anderen Werkstoffen geringere Wärmeleitfähigkeit wird erfindungsgemäß durch den oben beschriebenen Wärmeableitungseffekt der zumindest einen Rippe kompensiert.
  • Wenngleich der erfindungsgemäße Kolben in bekannter Weise einen oder mehrere Kühlmittelzu- und -abläufe aufweisen kann, ist es durch die erzielte Wärmeableitung möglich, auf einen laufenden Austausch von Kühlmittel in dem Kühlkanal zu verzichten. Mit anderen Worten können Kühlmittelzu- und -abläufe vermieden werden, ebenso wie Maßnahmen zur Befüllung des Kühlkanals, wie zum Beispiel Kühlmitteldüsen. Somit kann der Kühlkanal bei dem erfindungsgemäßen Kolben geschlossen und mit Kühlmittel befüllt sein, und aufgrund des Wärmeableitungseffekts der zumindest einen Rippe kann eine ausreichend niedrige Temperatur dennoch gewährleistet werden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Schnitt des erfindungsgemäßen Kolbens senkrecht zur Kolbenbolzenachse.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Wie in der Figur zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 in seinem oberen Bereich, in Kolbenachsrichtung in etwa auf dem gleichen Niveau, an der Außenseite ein Ringfeld 12, radial innerhalb einen bevorzugt geschlossenen Kühlkanal 14 und im zentralen Bereich eine Brennraummulde 14 auf. Entgegengesetzt zu dem Muldengrund, bei dem gezeigten Beispiel in einem Schnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse in etwa an dem jeweils tiefsten Punkt einer w-förmigen Brennraummulde ist eine Verdickung oder Rippe 18 an derjenigen Seite des Muldengrundes ausgebildet, die von dem Brennraum abgewandt, mit anderen Worten der Kolbenbolzennabe 16 zugewandt ist. Bei dem gezeigten Beispiel sind im Wesentlichen symmetrisch zwei Rippen ausgebildet, die sich im Wesentlichen parallel zur Kolbenbolzenachse, also senkrecht zur Zeichenebene, zu den seitlichen Bereichen der Kolbenbolzennabe 16 erstrecken. Wie in der Figur zu erkennen ist, sind die Rippen 18 jeweils an ihrer Oberseite, die bei der gezeigten Ausrichtung die Unterseite ist, gerundet ausgeführt. Dies gilt gleichermaßen zu den benachbarten Bereichen der Kolbenunterseite hin, so dass sich die jeweilige Rippe 18 im Wesentlichen von außen nach innen betrachtet, als Abfolge einer Konkaven, einer Konvexen und einer konkaven Krümmung darstellt, die bei dem gezeigten Beispiel in die konkave Krümmung der Unterseite der Brennraummulde 14 übergeht. Es sei erwähnt, dass die beschriebene Form der Rippe 18 in vorteilhafter Weise beim Gießen des Kolbens ausgebildet werden kann, so dass keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Claims (3)

  1. Einteiliger, gegossener Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkanal (12) und zumindest einer Rippe (18) auf der Kolbeninnenseite gegenüber dem Muldengrund einer Brennraummulde (14), wobei sich zumindest eine Rippe (18), bei Betrachtung des Kolbens in Richtung der Kolbenbolzenachse, in Richtung eines im Wesentlichen maximal von der Kolbenachse entfernt liegenden Bereichs einer Kolbenbolzennabe (16) erstreckt, dass der Kolben aus einem Eisenwerkstoff ausgeführt ist, und dass sich eine untere Begrenzung des Kühlkanals (12) in Kolbenachsrichtung im Wesentlichen auf demselben Niveau wie eine untere Nutflanke einer untersten Kolbenringnut und/oder ein tiefster Punkt der Brennraummulde (14) befindet.
  2. Einteiliger, gegossener Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich zumindest eine Rippe (18) im Wesentlichen in Richtung der Achse der Kolbenbolzennaben (16) erstreckt.
  3. Einteiliger, gegossener Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Kühlkanal (12) in Kolbenachsrichtung im Wesentlichen über den gesamten Bereich von Kolbenringnuten erstreckt.
EP18721724.5A 2017-04-26 2018-04-24 Einteiliger, gegossener kolben für einen verbrennungsmotor Active EP3615784B1 (de)

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WO (1) WO2018197501A1 (de)

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