WO1993025828A1 - Piston for an internal-combustion engine - Google Patents

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WO1993025828A1 PCT/EP1993/001457 EP9301457W WO9325828A1 WO 1993025828 A1 WO1993025828 A1 WO 1993025828A1 EP 9301457 W EP9301457 W EP 9301457W WO 9325828 A1 WO9325828 A1 WO 9325828A1
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    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a piston for a 4-stroke internal combustion engine, in particular for an engine of a motor vehicle, with an end face and a subsequent piston skirt.
  • Such pistons for internal combustion engines are known as so-called reciprocating pistons. They are used in all possible internal combustion engines for any vehicle and in particular for motor vehicles. They move as reciprocating pistons in a cylinder, whereby energy is transferred from the liquid, vapor or gaseous medium to the piston. This is usually done by igniting the medium in the cylinder, causing an explosion that leads to an expansion of the combustion chamber. It is necessary that the combustion chamber is kept as tight as possible, but that on the other hand the piston is lubricated when it slides in the cylinder. In order to make this possible, a A plurality of piston rings are used, usually two compression rings following the end face and an adjoining oil scraper ring being provided. The compression rings seal the combustion chamber from a crankcase.
  • Oil scraper rings scrape off most of the oil from the cylinder wall and only let through as much oil as is necessary to lubricate the piston.
  • the piston skirt must have a certain height due to the arrangement of a plurality of piston rings. This increases the weight and height of the piston, so that the efficiency of the engine is reduced. Furthermore, there is greater friction between the piston skirt and the inner surface of the cylinder, which leads to higher heat developments and greater wear.
  • the present invention has for its object a piston of the above.
  • a way to develop that can be slimmed down considerably in its mass, but still achieves higher engine performance and quieter running behavior.
  • a piston rod can be articulated closer to the end face of the piston, which ensures better guidance of the piston within the cylinder. This better guidance in turn leads to quieter running behavior and contributes to an increase in performance.
  • the saving of the other rings also means that only one piston ring can be worn, which reduces the damage and the overall effort.
  • a groove which separates two lips from one another is preferably formed in the outer circumference of the piston ring.
  • One lip serves as a sealing lip, while the other lip is an oil wiper lip.
  • an annular recess can also be formed, in which an expanding or expanding ring, for example a hose spring ring, is seated. This hose spring ring presses the piston ring outwards so that it lies against the inner surface of the cylinder when the piston is running.
  • Nitrided steel is preferably used as the material for the piston ring, but it can also be made of cast iron or another suitable material, such as the conventional piston rings on the market.
  • the lips are chamfered to a certain extent.
  • the chamfer on the underside of the oil wiper lip can accelerate and improve the flow of oil from the inside wall of the cylinder. Further configurations are also conceivable here, which should also be within the scope of the present invention.
  • Figure 1 is a perspective view of a piston for an internal combustion engine
  • Figure 2 is a plan view of a piston ring according to the invention.
  • FIG. 3 shows a cross section through the piston ring according to FIG. 2 along line III-III.
  • a piston 1 according to the invention for an internal combustion engine, not shown, for example for an engine of a car, has a piston housing with an end face 2 and a piston jacket 3.
  • the piston skirt 3 has an annular groove 4 for receiving a piston ring 5 shown in FIGS. 2 and 3. Furthermore, it can be seen that the piston skirt 3 is cut out in essential areas, so that only guide aprons 6 are left of the piston skirt 3 laterally. Between the guide aprons 6 a cross bar 7 _ can be seen, which has a bearing 8 for a connecting rod, not shown.
  • a hose spring ring 9 is inserted from the inside into the piston ring 5, via which the piston ring 5 is pressed against an inner wall of the cylinder.
  • the piston ring 5 has an annular recess 10.
  • the annular recess 10 has a circumferential groove 11 formed in the piston ring 5 which separates two lips 12 and 13 from one another.
  • the lip 12 is a sealing lip, which is equivalent in effect to a known compression piston ring.
  • the lip 13, is an oil wiping lip which has an inwardly directed chamfer 14 for better wiping off an oil film from an inner cylinder wall.

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Abstract

The invention concerns a piston for a four-stroke internal-combustion engine, in particular the engine of a motor vehicle, the piston having a front face (2) and a piston skirt (3) contiguous with the front face (2). The invention calls for only one annular groove (4) to be made in the piston skirt (3) to hold only one piston ring (5).

Description

Kolben für eine Verbrennungsmaschine Pistons for an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine 4-Takt- Verbrennungsmaschine, insbesondere für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, mit einer Stirnfläche und einem anschließenden Kolbenmantel.The invention relates to a piston for a 4-stroke internal combustion engine, in particular for an engine of a motor vehicle, with an end face and a subsequent piston skirt.
Derartige Kolben für Verbrennungsmaschinen sind als sog. Hubkolben bekannt. Sie werden in allen möglichen Verbrennungsmaschinen für beliebige Fahrzeuge und insbesondere für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Sie bewegen sich als Hubkolben in einem Zylinder, wobei Energie von flüssigem, dampf- oder gasförmigem Medium auf den Kolben übertragen wird. Dies geschieht in der Regel durch Zündung des Mediums in dem Zylinder, wodurch eine Explosion entsteht, die zu einer Erweiterung des Verbrennungεraumes führt. Notwendig ist dabei, daß der Verbrennungsraum möglichst dicht gehalten wird, daß andererseits aber der Kolben bei seinem Gleiten im Zylinder geschmiert ist. Um dieses zu ermöglichen sind in den Kolbenmantel eine Mehrzahl von Kolbenringen eingesetzt, wobei meist, zwei auf die Stirnfläche folgende Verdichtungsringe und ein daran anschließender Ölabstreifring vorgesehen sind. Die Verdichtungsringe dichten den Verbrennungsraum gegenüber einem Kurbelgehäuse ab. Sie werden durch Eigenspannung und durch den Gasdruck im Nutgrund an die Zylinderinnenwand gedrückt und übertragen einen großen Teil der in den Kolben einfallenden Verbrennungswärme an die Zylinderinnenwand. Ölabstreifringe streifen das meiste Öl von der Zylinderwand ab und lassen nur soviel Öl durch, wie zur Schmierung des Kolbens nötig ist.Such pistons for internal combustion engines are known as so-called reciprocating pistons. They are used in all possible internal combustion engines for any vehicle and in particular for motor vehicles. They move as reciprocating pistons in a cylinder, whereby energy is transferred from the liquid, vapor or gaseous medium to the piston. This is usually done by igniting the medium in the cylinder, causing an explosion that leads to an expansion of the combustion chamber. It is necessary that the combustion chamber is kept as tight as possible, but that on the other hand the piston is lubricated when it slides in the cylinder. In order to make this possible, a A plurality of piston rings are used, usually two compression rings following the end face and an adjoining oil scraper ring being provided. The compression rings seal the combustion chamber from a crankcase. They are pressed against the inside wall of the cylinder by internal stress and the gas pressure in the groove base and transfer a large part of the heat of combustion entering the piston to the inside wall of the cylinder. Oil scraper rings scrape off most of the oil from the cylinder wall and only let through as much oil as is necessary to lubricate the piston.
Es versteht sich von selbst, daß der Kolbenmantel infolge der Anordnung einer Mehrzahl von Kolbenringen eine gewisse Höhe aufweisen muß. Hierdurch erhöht sich das Gewicht und die Höhe des Kolbens, so daß der Wirkungsgrad des Motors vermindert ist. Ferner entsteht zwischen Kolbenmantel und Zylinderinnenfläche eine höhere Reibung, die zu höheren Wärmentwicklungen und einem höheren Verschleiß führt.It goes without saying that the piston skirt must have a certain height due to the arrangement of a plurality of piston rings. This increases the weight and height of the piston, so that the efficiency of the engine is reduced. Furthermore, there is greater friction between the piston skirt and the inner surface of the cylinder, which leads to higher heat developments and greater wear.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der o.g. Art zu entwickeln, welcher in seiner Masse wesentlich abgespeckt werden kann, dennoch eine höhere Motorleistung und ein ruhigeres Laufverhalten erzielt.The present invention has for its object a piston of the above. A way to develop that can be slimmed down considerably in its mass, but still achieves higher engine performance and quieter running behavior.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß in den Kolbenmantel nur eine Ringnut zur Aufnahme von nur einem Kolbenring eingeformt ist.To achieve this object, only an annular groove for receiving only one piston ring is formed in the piston skirt.
Bis heute hat niemand daran gedacht einem einzigen Kolbenring sowohl die Dichtfunktion als auch die Ölabstreif unktion aufzuerlegen. Dies ist aber dann möglich, wenn der Kolbenring eine klar definierte obere und untere Außenkante besitzt, so daß die obere Außenkante die Dichtfunktion und die untere Außenkante die Ölabstreiffunktion übernimmt. Die Vorteile der Anordnung nur eines Kolbenringes sind aber vielfältig. Zum einen kann dadurch der Kolbenmantel wesentlich verringert werden. Dies geschieht vor allem durch eine möglichst nahe Anordnung der entsprechenden Ringnut für den Kolbenmantel an der Stirnfläche des Kolbens. Unterhalb der Ringnut kann der Kolbenmantel verschiedenartige Ausschnitte aufweisen, wobei jedoch entsprechende Führungsschürzen zur Führung des Kolbens stehen bleiben können. Die Ausschnitte bewirken aber eine wesentliche Verringerung des Kolbengewichtes, wodurch die Motorleistung wesentlich erhöht wird. Für die Umkehrbewegung des Kolbens ist bei einem geringeren Kolbengewicht eine geringere Energie notwendig.To date, no one has thought of imposing both the sealing function and the oil wiping function on a single piston ring. However, this is possible if the piston ring has a clearly defined upper and lower outer edge, so that the upper outer edge takes over the sealing function and the lower outer edge takes over the oil wiping function. The advantages of arranging only one piston ring are manifold. On the one hand, this can significantly reduce the piston skirt. This is done above all by arranging the corresponding annular groove for the piston skirt as close as possible to the end face of the piston. Below the annular groove, the piston skirt can have various cutouts, but corresponding guide aprons for guiding the piston can remain. The cutouts, however, bring about a substantial reduction in the piston weight, as a result of which the engine output is increased significantly. For the reverse movement of the piston, less energy is required with a lower piston weight.
Ferner sind weniger Gleitflächen zwischen Kolbenmantel und Zylinderinnenwand vorhanden, wodurch die Reibung vermindert wird. Hierdurch wird auch die Wärmeentwicklung innerhalb des Zylinders vermindert und damit auch der Verschleiß.There are also fewer sliding surfaces between the piston skirt and the inner wall of the cylinder, which reduces friction. This also reduces the heat development within the cylinder and thus also the wear.
Weiterhin kann eine Kolbenstange infolge der geringeren Bauhöhe des Kolbens näher an der Stirnfläche des Kolbens angelenkt werden, wodurch eine bessere Führung des Kolbens innerhalb des Zylinders gewährleistet ist. Diese bessere Führung bewirkt wiederum ein ruhigeres Laufverhalten und trägt zu einer Leistungssteigerung bei.Furthermore, due to the lower overall height of the piston, a piston rod can be articulated closer to the end face of the piston, which ensures better guidance of the piston within the cylinder. This better guidance in turn leads to quieter running behavior and contributes to an increase in performance.
Die Einsparung der übrigen Ringe bringt, ferner mit sich, daß auch nur ein Kolbenring verschlissen werden kann, wodurch die Schadstelle und der gesamte Aufwand vermindert wird.The saving of the other rings also means that only one piston ring can be worn, which reduces the damage and the overall effort.
Besonderes Augenmerk kann nur auf die Ringform selbst gelegt werden, da die Einsparungen der übrigen Ringe zu einer Verbesserung des einen Ringes führen. Insbesondere wird eine bessere Abdichtung angestrebt, so daß auch Schadstoffemissionen verringert werden. Ferner findet auch eine Senkung der sogenannten Blow-By-Menge (Durchblasmenge) statt. Auch hierdurch erhöht sich die Leistung bei einem Einsatz von gleicher Energiemenge.Particular attention can only be paid to the ring shape itself, since the savings in the other rings lead to an improvement in one ring. In particular, better sealing is sought, so that pollutant emissions are also reduced. There is also a reduction in the so-called blow-by amount. instead of. This also increases performance when using the same amount of energy.
Bevorzugt ist in den Außenumfang des Kolbenringes eine Nut eingeformt, welche zwei Lippen voneinander trennt. Die eine Lippe dient dabei als Dichtungslippe, während die andere Lippe eine Ölabstreiflippe ist. Denkbar ist jedoch auch die Ausformung nur einer Lippe, welche dann so geformt ist, daß sie beide Aufgaben, nämlich Abdichten zum Verbrennungsraum hin und Olabstreifen zum Kurbelgehäuse hin, erfüllen kann. In den Innenumfang des Kolbenringes kann ferner einer Ringmulde eingeformt sein, in welcher ein Expandier- bzw. Spreizring, beispielsweise ein Schlauchfederring sitzt. Dieser Schlauchfederring drückt den Kolbenring nach außen, so daß er beim Kolbenlauf der Zylinderinnenfläche anliegt.A groove which separates two lips from one another is preferably formed in the outer circumference of the piston ring. One lip serves as a sealing lip, while the other lip is an oil wiper lip. However, it is also conceivable to form only one lip, which is then shaped in such a way that it can fulfill both tasks, namely sealing towards the combustion chamber and oil scraping towards the crankcase. In the inner circumference of the piston ring, an annular recess can also be formed, in which an expanding or expanding ring, for example a hose spring ring, is seated. This hose spring ring presses the piston ring outwards so that it lies against the inner surface of the cylinder when the piston is running.
Als Material für den Kolbenring wird bevorzugt nitrierter Stahl verwende^, jedoch kann er auch aus Guß oder einem anderen tauglichen Material hergestellt sein, wie die herkömmlichen, auf dem Markt befindlichen Kolbenringe.Nitrided steel is preferably used as the material for the piston ring, but it can also be made of cast iron or another suitable material, such as the conventional piston rings on the market.
Wesentlich ist auch, daß die Lippen in bestimmtem Umfange angefast werden. Durch eine Fase auf der Unterseite der Ölabstreiflippe kann das Abströmen des Öls von der Zylinderinnenwand beschleunigt und verbessert werden. Hier sind noch weitere Ausgestaltungen denkbar, die ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen sollen. It is also essential that the lips are chamfered to a certain extent. The chamfer on the underside of the oil wiper lip can accelerate and improve the flow of oil from the inside wall of the cylinder. Further configurations are also conceivable here, which should also be within the scope of the present invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt inFurther advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and with reference to the drawing; this shows in
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens für eine Verbrennungsmaschine;Figure 1 is a perspective view of a piston for an internal combustion engine;
Figur 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kolben- ring;Figure 2 is a plan view of a piston ring according to the invention;
Figur 3 einen Querschnitt durch den Kolbenring gemäß Figur 2 entlang Linie III-III.3 shows a cross section through the piston ring according to FIG. 2 along line III-III.
Ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine nicht näher gezeigte Verbrennungsmaschine, beispielsweise für einen Motor eines PKW, weist ein Kolbengehäuse mit einer Stirnfläche 2 und einem Kolbenmantel 3 auf. Der Kolbenmantel 3 weist eine Ringnut 4 zur Aufnahme eines in den Figuren 2 und 3 gezeigten Kolbenringes 5 auf. Ferner ist erkennbar, daß der Kolbenmantel 3 in wesentlichen Bereichen ausgeschnitten ist, so daß vom Kolbenmantel 3 seitlich nur noch Führungsschürzen 6 übrig sind. Zwischen den Führungsschürzen 6 ist ein Quersteg 7 _ erkennbar, welcher eine Lagerstelle 8 für eine nicht näher gezeigte Pleuelstange aufweist.A piston 1 according to the invention for an internal combustion engine, not shown, for example for an engine of a car, has a piston housing with an end face 2 and a piston jacket 3. The piston skirt 3 has an annular groove 4 for receiving a piston ring 5 shown in FIGS. 2 and 3. Furthermore, it can be seen that the piston skirt 3 is cut out in essential areas, so that only guide aprons 6 are left of the piston skirt 3 laterally. Between the guide aprons 6 a cross bar 7 _ can be seen, which has a bearing 8 for a connecting rod, not shown.
In den Figuren 2 und 3 ist erkennbar, daß von innen her in den Kolbenring 5 ein Schlauchfederring 9 eingesetzt ist, über welche der Kolbenring 5 an eine Zylinderinnenwand angepreßt wird. Zur Aufnahme dieses Schlauchfederringes 9 besitzt der Kolbenring 5 eine Ringmulde 10.In Figures 2 and 3 it can be seen that a hose spring ring 9 is inserted from the inside into the piston ring 5, via which the piston ring 5 is pressed against an inner wall of the cylinder. To accommodate this hose spring ring 9, the piston ring 5 has an annular recess 10.
Ferner ist im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 andererseits der Ringmulde 10 in den Kolbenring 5 eine umlaufende Nut 11 eingeformt, welche zwei Lippen 12 und 13 voneinander trennt. Die Lippe 12 ist dabei eine Dichtlippe, welche in der Wirkung mit einem bekannten Verdichtungε- kolbenring gleichzusetzen ist. Die Lippe 13 ist dagegen eine Ölabstreiflippe, welche zum besseren Abstreifen eines Ölfilms von einer Zylinderinnenwand eine nach innen gerichtete Fase 14 aufweist. Furthermore, in the exemplary embodiment according to FIG. 3, the annular recess 10 has a circumferential groove 11 formed in the piston ring 5 which separates two lips 12 and 13 from one another. The lip 12 is a sealing lip, which is equivalent in effect to a known compression piston ring. The lip 13, on the other hand, is an oil wiping lip which has an inwardly directed chamfer 14 for better wiping off an oil film from an inner cylinder wall.

Claims

SCHUTZANSPRUCHE PROTECTION CLAIMS
1. Kolben für eine 4-Takt-Verbrennungsmaschine, insbesonde¬ re für einen Motor eines Kraftfahrzeuges, mit einer Stirnfläche (2) und einem anschließenden Kolbenmantel (3),1. piston for a 4-stroke internal combustion engine, in particular for an engine of a motor vehicle, with an end face (2) and a subsequent piston jacket (3),
dadurch gekennzeichnet,characterized,
daß in den Kolbenmantel (3) nur eine Ringnut (4) zur Aufnahme von nur einem Kolbenring (5) eingeformt ist.that only one annular groove (4) for receiving only one piston ring (5) is formed in the piston skirt (3).
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmantel (3) unter Ausbildung von Führungschürzen (6) ausgeschnitten ist.2. Piston according to claim 1, characterized in that the piston jacket (3) is cut out to form guide aprons (6).
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (5) umfangswärtig eine Lippe aufweist.3. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the piston ring (5) has a lip on the circumference.
4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (5) umfangswärtig eine Nut (11) aufweist, welche zwei Lippen (12, und 13) voneinander trennt.4. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the piston ring (5) circumferentially has a groove (11) which separates two lips (12, and 13) from each other.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Lippe (12) eine Dichtungslippe und die andere Lippe (13) eine Ölabstreiflippe ist.5. Piston according to claim 4, characterized in that the one lip (12) is a sealing lip and the other lip (13) is an oil wiper lip.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Ölabstreiflippe (13) eine äußere Fase (14) aufweist.6. Piston according to claim 5, characterized in that at least the oil wiper lip (13) has an outer chamfer (14).
7. Kolben nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den inneren Umfang des7. Piston according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that in the inner circumference of the
Kolbenrings (5) eine Ringmulde (12) eingeformt ist, in welcher ein Expandier- oder Spreizring, insbesondere ein Schlauchfederring (9) sitzt. Piston ring (5) an annular recess (12) is formed in which has an expanding or expanding ring, in particular a hose spring ring (9).
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