WO2007115525A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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WO2007115525A1
WO2007115525A1 PCT/DE2007/000531 DE2007000531W WO2007115525A1 WO 2007115525 A1 WO2007115525 A1 WO 2007115525A1 DE 2007000531 W DE2007000531 W DE 2007000531W WO 2007115525 A1 WO2007115525 A1 WO 2007115525A1
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piston
pressure side
shaft
pin bosses
internal combustion
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English (en)
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Inventor
Rainer Scharp
Hans-Peter Wieland
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine with two pin hubs and with two shaft elements interconnecting the pin bosses.
  • a piston for an internal combustion engine is known from patent EP 1 372 904 B1, which consists of a piston upper part with a ring part arranged on the radial outside thereof and of a piston lower part.
  • the piston lower part has pin bosses, which are connected via Hubanbindurfgen with the piston upper part, and shaft members, which are partly in communication with the hubs and partly via a respective shank connection with the piston upper part.
  • the piston-bottom-side regions of the shaft elements, to which the shaft connections are integrally formed have a greater thickness in the radial direction than the remaining regions of the shaft elements.
  • connection of the shaft members to the piston top and the thickenings of the shaft members give the piston a high rigidity, the secondary movements of the piston, ie, the tilting movements of the piston about the pin axis in engine operation and thereby causing wear of the piston rings, the annular grooves of the piston and the Inner wall of the cylinder liner, in which the piston is guided, counteracts.
  • the rigidity of the known from the prior art piston construction but has the disadvantage that with an increase in the temperature of the piston material in engine operation and thereby caused enlargement of the piston radius in the region of the shaft elements and the contact pressure of the shaft elements to the inner wall of the cylinder liner and thus the Increase the risk of a pest eater.
  • a piston is known whose shaft elements are fastened exclusively to the pin bosses and have no connection to the upper piston part.
  • the shaft elements have a constant Thickness up.
  • the shaft elements are designed elastically yielding that they adapt to an increase in the temperature of the piston material and a concomitant increase in the piston radius in the region of the shaft elements elastically to the inner wall of the cylinder liner, whereby the risk of a piston seizure at an increase in the Piston temperature is reduced.
  • the disadvantage here however, that the elasticity of the shaft elements leads to an increase in the secondary movements of the piston and thus to an increase in the wear of the ring and groove flanks and the inner wall of the cylinder liners.
  • Object of the present invention is to provide a piston which avoids the disadvantages of the prior art, that is, which does not tend to seizure at elevated piston temperature, and the secondary movements are reduced, so that the wear of the ring flanks, the groove flanks and the Inner wall of the cylinder liner, in which the piston is guided, are reduced.
  • This object is achieved in that the arranged on the pressure side of the piston shaft member is connected via a shank connection with the piston upper part, and that the arranged on the counter-pressure side of the piston shaft member is connected without shank connection to the piston upper part exclusively with the pin bosses.
  • the shaft connection of the arranged on the pressure side of the piston shaft member causes a stiffening of this side of the piston, so that at the power stroke of the engine, in which the pressure side of the piston is pressed onto the inner wall of the cylinder liner, the secondary movements of the piston and the wear caused by the ring flanks, the groove flanks and the inner wall of the cylinder liner can be reduced.
  • the due to the absence of the shank connection on the counter-pressure side of the piston elasticity of the arranged on this side shaft member has the advantage that at a temperature-induced increase in the piston radius in the region of the shaft elements, the shaft located on the counter-pressure shaft element elastically deformed, thereby the pressure, with the shank elements are pressed onto the inner wall of the cylinder liners, reduced and thereby reducing the risk of piston drool due to an increase in piston temperature.
  • Fig. 1 is an existing two half sections sectional view of the piston according to the invention, in which the left half section shows the pressure side of the piston, and
  • Fig. 2 is an existing two half sections sectional view of the piston, in which the left half section represents the counter-pressure side of the piston.
  • FIG. 1 shows a sectional view consisting of 2 half sections of a piston 1, wherein the right half section represents a section through the piston 1 along the longitudinal axis 2 of the hub bore 3, and the left half section is perpendicular thereto and the pressure side 4 of the piston 1 shows.
  • Fig. 2 also shows an existing two half-sections of the piston 1, which is rotated relative to FIG. 1 by 180 °, so that the left half section shows the counter-pressure side 15 of the piston 1.
  • the piston 1 shown in Figures 1 and 2 may be made of steel, aluminum, magnesium or other heavy metal or light metal. It is formed in one piece and has a molded into the piston head 5 combustion bowl 6. Radial outside joins the piston crown 5 a ring section 7 at. At the top of the piston head 5 and ring part 7 existing upper part 8 of the piston 1 are each a hub support 9, 9 'two opposing and spaced-apart pin bosses 10, 10', each with a hub bore 3, 3 'integrally formed.
  • a shaft element 12 is connected to the upper part 8 via a shaft connection 11.
  • the shaft elements 12 is also connected on both sides with a pin bosses 10, 10 '.
  • the shaft element 12 'lying opposite the shaft element 12 connected to the piston upper part 8 is connected exclusively to the pin bosses 10 and 10', without - -
  • gegndruckseite a shank connection between shaft member 12 'and upper piston 8 is provided.
  • the elasticity of the shaft element arranged on this side due to the absence of the shaft connection on the counter-pressure side of the piston has the advantage that the shaft element located on the counter-pressure side elastically deforms when the piston radius increases in the region of the shaft elements due to temperature. with which the shaft elements 12, 12 'are pressed onto the inner wall of the cylinder liners, and thus the risk of a piston seizure due to an increase in the piston temperature can be reduced.
  • the upper part 8 of the piston 1 has a circumferential, annular cooling channel 13 which is delimited by the piston crown 5, by the annular part 7 and on the underside facing away from the piston bottom by an annular cooling channel cover 14 with at least one oil inlet opening and at least one oil drain opening the oil inlet opening and the oil drain opening are not shown in the figures.
  • the piston 1 each have a radially inwardly directed recess 16, 16' on both sides of the piston 1 between the end faces 17, 17 'of the pin bosses 10, 10' are arranged circumferentially.
  • the end faces 17, 17 'of the pin bosses 10, 10' are arranged opposite the ring section 17 in the direction of the piston axis 18.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit zwei einander gegenüberliegenden Bolzennaben (10, 10') und mit zwei die Bolzennaben (10, 10') miteinander verbindenden Schaftelementen (12, 12'). Zur Vermeidung von temperaturbedingten Kolbenfressern ist das auf der Gegendruckseite (15) des Kolbens (1) angeordnete Schaftelement (12') ohne Schaftanbindung an das Kolbenoberteil (8) ausschließlich mit den Bolzennaben (10, 10') verbunden und damit elastisch nachgiebig ausgebildet. Zur Verringerung des Verschleißes der Kolbenringe und der Ringnuten des Kolbens ist die Steifigkeit der Druckseite des Kolbens (1) dadurch erhöht, dass das Schaftelement auf dieser Seite des Kolbens über eine Schaftanbindung mit dem Kolbenoberteil verbunden ist.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zwei Bolzennaben und mit zwei die Bolzennaben miteinander verbindenden Schaftelementen.
Aus der Patentschrift EP 1 372 904 B1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbenoberteil mit einer auf dessen radialer Außenseite angeordneten Ringpartie und aus einem Kolbenunterteil besteht. Das Kolbenunterteil weist Bolzennaben, die über Nabenanbindurfgen mit dem Kolbenoberteil verbunden sind, und Schaftelemente auf, die teils mit den Naben und teils über je eine Schaftanbindung mit dem Kolbenoberteil in Verbindung stehen. Hierbei weisen die kolben- bodenseitigen Bereiche der Schaftelemente, an die die Schaftanbindungen angeformt sind, in radialer Richtung betrachtet eine größere Dicke als die übrigen Bereiche der Schaftelemente auf. Die Anbindungen der Schaftelemente an das Kolbenoberteil und die Verdickungen der Schaftelemente verleihen dem Kolben eine große Steifigkeit, die den Sekundärbewegungen des Kolbens, d.h., den Kippbewegungen des Kolbens um die Bolzenachse im Motorbetrieb und einem dadurch verursachten Verschleiß der Kolbenringe, der Ringnuten des Kolbens und der Innenwand der Zylinderbuchse, in der der Kolben geführt ist, entgegenwirkt.
Die Steifigkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenkonstruktion aber hat den Nachteil, dass bei einer Erhöhung der Temperatur des Kolbenmaterials im Motorbetrieb und bei einer dadurch bewirkten Vergrößerung des Kolbenradius im Bereich der Schaftelemente auch der Anpressdruck der Schaftelemente an die Innenwand der Zylinderbuchse und damit die Gefahr eines Kolbenfressers zunehmen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 44 46 726 A1 ist ein Kolben bekannt, dessen Schaftelemente ausschließlich an den Bolzennaben befestigt sind und keine Anbindung an das Kolbenoberteil aufweisen. Zudem weisen die Schaftelemente eine konstante Dicke auf. Aus diesen Gründen sind die Schaftelemente derart elastisch nachgiebig ausgebildet, dass sie sich bei einer Erhöhung der Temperatur des Kolbenmaterials und bei einer damit einhergehenden Vergrößerung des Kolbenradius im Bereich der Schaftelemente elastisch an die Innenwand der Zylinderbuchse anpassen, wodurch die Gefahr eines Kolbenfressers bei einer Erhöhung der Kolbentemperatur verringert wird. Nachteilig ist hierbei aber, dass die Elastizität der Schaftelemente zu einer Vergrößerung der Sekundärbewegungen des Kolbens und damit zu einer Erhöhung des Verschleißes der Ring- und Nutflanken und der Innenwand der Zylinderbuchsen führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, das heißt, der bei erhöhter Kolbentemperatur nicht zu Kolbenfressern neigt, und dessen Sekundärbewegungen verringert sind, sodass auch der Verschleiß der Ringflanken, der Nutflanken und der Innenwand der Zylinderbuchse, in der der Kolben geführt ist, reduziert sind.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das auf der Druckseite des Kolbens anordnete Schaftelement über eine Schaftanbindung mit dem Kolbenoberteil verbunden ist, und dass das auf der Gegendruckseite des Kolbens angeordnete Schaftelement ohne Schaftanbindung an das Kolbenoberteil ausschließlich mit den Bolzennaben verbunden ist.
Die Schaftanbindung des auf der Druckseite des Kolbens angeordneten Schaftelementes bewirkt eine Versteifung dieser Seite des Kolbens, sodass beim Arbeitstakt des Motors, bei dem die Druckseite des Kolbens auf die Innenwand der Zylinderbuchse gepresst wird, die Sekundärbewegungen des Kolbens und der dadurch verursachte Verschleiß der Ringflanken, der Nutflanken und der Innenwand der Zylinderbuchse verringert werden. Die durch das Fehlen der Schaftanbindung auf der Gegendruckseite des Kolbens bedingte Elastizität des auf dieser Seite angeordneten Schaftelementes hat den Vorteil, dass sich bei einer temperaturbedingten Vergrößerung des Kolbenradius im Bereich der Schaftelemente das auf der Gegendruckseite befindliche Schaftelement elastisch verformt, dass dadurch der Druck, mit dem die Schaftelemente auf die Innenwand der Zylinderbuchsen gepresst werden, verringert wird, und dass damit die Gefahr von Kolbenfresser aufgrund einer Erhöhung der Kolbentemperatur verringert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein aus zwei Halbschnitten bestehendes Schnittbild des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem der linke Halbschnitt die Druckseite des Kolbens zeigt, und
Fig. 2 ein aus zwei Halbschnitten bestehendes Schnittbild des Kolbens, bei dem der linke Halbschnitt die Gegendruckseite des Kolbens darstellt.
Fig. 1 zeigt ein aus 2 Halbschnitten bestehendes Schnittbild eines Kolbens 1 , wobei der rechte Halbschnitt einen Schnitt durch den Kolben 1 entlang der Längsachse 2 der Nabenbohrung 3 darstellt, und der linke Halbschnitt senkrecht dazu liegt und die Druckseite 4 des Kolbens 1 zeigt.
Fig. 2 zeigt ebenfalls ein aus zwei Halbschnitten bestehendes Schnittbild des Kolbens 1 , das gegenüber Fig. 1 um 180° gedreht ist, sodass der linke Halbschnitt die Gegendruckseite 15 des Kolbens 1 zeigt.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kolben 1 kann aus Stahl, aus Aluminium, aus Magnesium oder aus einem anderen Schwermetall oder Leichtmetall hergestellt sein. Er ist einteilig ausgebildet und weist eine in den Kolbenboden 5 eingeformte Brennraummulde 6 auf. Radial außen schließt sich an den Kolbenboden 5 eine Ringpartie 7 an. An das aus Kolbenboden 5 und Ringpartie 7 bestehende Oberteil 8 des Kolbens 1 sind über je eine Nabenabstützung 9, 9' zwei einander gegenüberliegende und auf Abstand zueinander angeordnete Bolzennaben 10, 10' mit je einer Nabenbohrung 3, 3' angeformt. Auf der Druckseite 4 des Kolbens 1 (Fig.1) ist an das Oberteil 8 über eine Schaftanbindung 11 ein Schaftelemente 12 angebunden. Das Schaftelemente 12 ist darüber hinaus beidseitig mit je einer Bolzennaben 10, 10' verbunden. Auf der Gegendruckseite 15 des Kolbens 1 (Fig. 2) ist das dem an das Kolbenoberteil 8 angebundenen Schaftelement 12 gegenüberliegende Schaftelement 12' ausschließlich mit den Bolzennaben 10 und 10' verbunden, ohne dass auf der Ge- - -
gegndruckseite eine Schaftanbindung zwischen Schaftelement 12' und Kolbenoberteil 8 vorgesehen ist.
Hierdurch ergeben sich die Vorteile, dass die Schaftanbindung des auf der Druckseite des Kolbens angeordneten Schaftelementes eine Versteifung dieser Seite des Kolbens bewirkt, sodass beim Arbeitstakt des Motors, bei dem die Druckseite des Kolbens auf die Innenwand der Zylinderbuchse gepresst wird, die Sekundärbewegungen des Kolbens, d.h., Kippbewegungen des Kolbens um die Bolzenachse verringert werden. Dadurch werden die Relativbewegungen zwischen den an der Innenwand der Zylinderbuchse geführten Kolbenringen und dem Kolben und damit der dadurch verursachte Verschleiß der Ringflanken und der Nutflanken verringert. Die Verringerung der Sekundärbewegungen des Kolbens führt zudem zu einer Verringerung des Verschleißes der Innenwand der Zylinderbuchsen. Die durch das Fehlen der Schaftanbindung auf der Gegendruckseite des Kolbens bedingte Elastizität des auf dieser Seite angeordneten Schaftelementes hat den Vorteil, dass sich bei einer temperaturbedingten Vergrößerung des Kolbenradius im Bereich der Schaftelemente das auf der Gegendruckseite befindliche Schaftelement elastisch verformt, und dass dadurch der Druck, mit dem die Schaftelemente 12, 12' auf die Innenwand der Zylinderbuchsen gepresst werden, und damit die Gefahr eines Kolbenfressers aufgrund einer Erhöhung der Kolbentemperatur verringert werden.
Radial außen weist das Oberteil 8 des Kolbens 1 einen umlaufenden, ringförmigen Kühlkanal 13 auf, der vom Kolbenboden 5, von der Ringpartie 7 und auf der dem Kolbenboden abgewandten Unterseite von einer ringförmigen Kühlkanalabdeckung 14 mit mindestens einer Ölzulauföffnung und mindestens einer Ölablauföffnung begrenzt wird, wobei die Ölzulauföffnung und die Ölablauföffnung in den Figuren nicht dargestellt sind.
Zwischen der Ringpartie 7 und den Schaftelementen 12, 12' weist der Kolben 1 je eine nach radial innen gerichtete Ausnehmung 16, 16' auf, die beidseitig des Kolbens 1 zwischen den Stirnseiten 17, 17' der Bolzennaben 10, 10' umlaufend angeordnet sind. Die Stirnseiten 17, 17' der Bolzennaben 10, 10' sind gegenüber der Ringpartie 17 in Richtung Kolbenachse 18 zurückgesetzt angeordnet. Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Längsachse der Nabenbohrungen 3, 3'
3, 3' Nabenbohrung
4 Druckseite des Kolbens 1
5 Kolbenboden
6 Brennraummulde
7 Ringpartie
8 Oberteil des Kolbens 1
9, 9' Nabenabstützung
10,10' Bolzennabe
11 Schaftanbindung
12, 12' Schaftelement
13 Kühlkanal
14 Kühlkanalabdeckung
15 Gegendruckseite
16, 16' Ausnehmung
17, 17' Stirnseite der Bolzennabe 10, 10'
18 Kolbenachse

Claims

Patentanspruch
1. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- mit einem Kolbenboden (5),
- mit einer nahe dem Kolbenboden (5)) auf der radialen Außenseite des Kolbens (1 ) angeordneten Ringpartie (7),
- mit zwei auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite angeordneten, einander gegenüberliegenden Bolzennaben (10, 10') mit je einer Nabenbohrung (3, 3') und
- mit zwei einander gegenüberliegenden, und die Bolzennaben (10, 10') miteinander verbindenden Schaftelementen (12, 12'), wobei ein Schaftelement (12) auf der Druckseite (4) und ein Schaftelement (12') auf der Gegendruckseite (15) des Kolbens (1) angeordnet ist,
- wobei das auf der Druckseite (4) des Kolbens (1 ) angeordnete Schaftelement (12) über eine Schaftanbindung (11) mit dem aus Kolbenboden (1 ) und Ringpartie (7) gebildeten Kolbenoberteil (8) verbunden ist, und
- wobei das auf der Gegendruckseite (15) des Kolbens (1) angeordnete Schaftelement (12') ohne Schaftanbindung an das Kolbenoberteil (8) ausschließlich mit den Bolzennaben (10, 10') verbunden ist.
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