WO2007115790A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine mit zwei ringnuten, wobei eine ringnut einen ringträger aufweist - Google Patents

Kolben für eine brennkraftmaschine mit zwei ringnuten, wobei eine ringnut einen ringträger aufweist Download PDF

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Ralf Buschbeck
Willi Sikorsky
Albrecht Roloff
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    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12—Details
    • F16J9/22—Rings for preventing wear of grooves or like seatings

Definitions

  • Piston for an internal combustion engine with two annular grooves, wherein an annular groove has a ring carrier
  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston upper part having a ring field with a plurality of annular grooves and a piston lower part, according to the features of the preamble of claim 1.
  • the invention is therefore based on the object to provide a piston for an internal combustion engine, which is improved over the prior art and in particular leads to a friction loss, optimized fatigue strength and to a weight and cost savings.
  • the ring field has exactly two annular grooves and at least the upper annular groove comprises a ring carrier. Due to the presence of only two annular grooves and the gas sealing or oil scraper rings used there, the friction loss is reduced, since less surface of the oil scraper rings runs on the cylinder inner wall of the internal combustion engine. In addition, the weight of the entire piston is reduced, as compared to the known prior art, a piston ring is missing.
  • the upper, the combustion chamber of the engine facing annular groove has a ring carrier, which may consist of the same or a different material as the material of the piston upper part.
  • a ring carrier which may consist of the same or a different material as the material of the piston upper part.
  • the ring carrier is made of a steel material or Niresist, if the upper piston part consists of a lightweight material.
  • the lower annular groove comprises a ring carrier.
  • the two annular grooves each comprise a ring carrier, whereby the Increased strength and the production cost is reduced, further can also account for a machining for introducing the annular grooves.
  • At least one annular carrier of the upper annular groove but in particular both ring carriers are completely surrounded by the material of the piston upper part.
  • This has the advantage of increased strength, since the ring carrier completely (with the exception of the outwardly facing surface in which the grooves are arranged, are surrounded by the material of the piston upper part and thus can sufficiently support.
  • the at least one ring carrier is alfiniert.
  • This Alfin für on the ring carrier in those areas in which the ring carrier is surrounded by the material of the piston upper part has the advantage that thereby the connection between the ring carrier and the surrounding material of the piston upper part is improved, whereby the strength is additionally increased.
  • at least the upper piston part, but in particular the entire piston consists of a light metal material and the ring carrier made of a steel material.
  • At least the piston top, in particular the entire piston is made of a light metal material (such as aluminum), while the ring carrier is made of a steel material.
  • the same material pairings upper piston part and ring carrier made of steel or piston upper part and ring carrier made of aluminum are not excluded.
  • the invention provides a piston with only two annular grooves, preferably made of a light metal material for diesel or gasoline internal combustion engines available, wherein at least the upper annular groove is provided with a ring carrier, thereby advantageously friction reduction, weight savings, cost savings due to material and manufacturing costs, fatigue increase and reduced space requirements are given.
  • An embodiment of the invention is shown in two views in Figures 1 and 2, wherein a piston is designated by the reference numeral 1.
  • the piston 1 consists of a piston upper part 2 and a lower piston part 3, which can be manufactured separately from one another and subsequently joined together or which together form an integral component (piston blank).
  • the piston upper part 2 has a ring field 4, wherein depending on the design of the piston 1 coaxially within the ring field 4, a combustion bowl can be present, but not necessarily.
  • the piston lower part 3 has, in a manner known per se, piston stems with which the piston 1 is guided in the cylinder of the internal combustion engine.
  • the piston shafts comprise bolt holes, in which a piston pin can be used for connection to a connecting rod.
  • the ring field 4 exactly two annular grooves, ie a lower annular groove 5 and an upper annular groove 6, on, wherein at least the upper annular groove 6 comprises a ring carrier 7.
  • the ring carrier 7 is a preferably one-piece component, which is used in casting the piston blank in a mold, is fixed in position at the desired position, in which case then the mold is filled with casting melt, and the ring carrier 7 is completely surrounded by the casting melt. If the ring carrier 7 consists of a steel material and the casting melt of a light metal material, preferably the ring carrier 7 is alfiniert before insertion into the casting mold. In the same way, a ring carrier for the lower annular groove 5 can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ein Ringfeld (4) mit mehreren Ringnuten aufweisendes Kolbenoberteil (2) sowie ein Kolbenunterteil (3), wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Ringfeld (4) genau zwei Ringnuten (5, 6) aufweist und zumindest die obere Ringnut (6) einen Ringträger (7) umfasst.

Description

B E S C H R E I B U N G
Kolben für eine Brennkraftmaschine mit zwei Ringnuten, wobei eine Ringnut einen Ringträger aufweist
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ein Ringfeld mit mehreren Ringnuten aufweisendes Kolbenoberteil sowie ein Kolbenunterteil, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Bei Kolben für Brennkraftmaschinen ist es grundsätzlich bekannt, dass deren Kolbenoberteil (auch Kolbenboden oder Kobenkopf genannt) ein Ringfeld aufweist. Ein solches Ringfeld umfasst in der Rege! drei Ringnuten, die in axialer Bewegungsrichtung des Kolbens hintereinander angeordnet sind. In diese drei Ringnuten werden Gasdichtungs- und Ölabstreifringe eingesetzt, die eine Trennung des Verbrennungsraumes von dem unteren Bereich des Kolbens, in dem Motoröl zirkuliert, bewirken. Der Einsatz von drei Ringnuten ist nachteilig, weil ein erhöhter Herstellungsaufwand betrieben werden muss, um die drei Ringnuten im Regelfall durch eine spanabhebende Bearbeitung in das Kolbenoberteil einzubringen. Außerdem ist ein erhöhter Montageaufwand und eine damit verbundene Teilevielfalt gegeben, da immer drei Kolbenringe, mitunter auch unterschiedlicher Geometrien, auf Lager vorgehalten und montiert werden müssen. Außerdem führt beim Einsatz eines solchen Kolbens mit drei Kolbenringen im Zylinder der Brennkraftmaschine zu erhöhten Reibwerten, so dass dadurch in nachteiliger Weise der Kraftstoffverbrauch erhöht ist. Außerdem stellen drei Kolbenringe ein hohes Gewicht dar bei erhöhtem Platzbedarf. Leistungssteigerungen und variable Ventilsteuerung erfordern eine Erhöhung der Ringhöhen, wobei bei gegebener Kompressionshöhe der platz nicht mehr ausreicht.
BESTÄTiGU^GSKOPIE Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine bereit zu stellen, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und insbesondere zu einer Reibleistungsreduktion, optimierten Dauerfestigkeit sowie zu einer Gewichts- und Kosteneinsparung führt.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Ringfeld genau zwei Ringnuten aufweist und zumindest die obere Ringnut einen Ringträger umfasst. Auf Grund des Vorhandenseins von nur zwei Ringnuten und den dort eingesetzten Gasdichtungsbzw, ölabstreifringen verringert sich die Reibleistung, da weniger Oberfläche der Ölabstreifringe auf der Zylinderinnenwand der Brennkraftmaschine läuft. Außerdem ist das Gewicht des gesamten Kolbens reduziert, da gegenüber dem bekannten Stand der Technik ein Kolbenring fehlt.
Aus dem gleichen Grund kommt es zu einer Kosteneinsparung, sowie zu einer Verbesserung bei der Montage, da bei gleicher Wirkung nur noch zwei Ölabstreifringe montiert und die dafür erforderlichen Ringnuten vorgesehen werden müssen.
Die obere, den Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandte Ringnut weist einen Ringträger auf, der aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material wie das Material des Kolbenoberteils bestehen kann. Durch den vorfertigbaren Ringträger, der beim Gießen des Kolbens eingebracht wird, wird schon die fertig gegossene Ringnut zur Verfügung gestellt, wodurch der Aufnahmebereich für die Ringnut gegenüber dem Material des Kolbenoberteils eine höhere Festigkeit aufweisen kann, um die im Bereich des Feuersteges wirkenden Kräfte und die dort herrschenden Temperaturen besser abfangen zu können.
In besonders vorteilhafter Weise besteht der Ringträger aus einem Stahlwerkstoff oder Niresist, wenn das Kolbenoberteil aus einem Leichtbauwerkstoff besteht.
In Weiterbildung der Erfindung umfasst auch die untere Ringnut einen Ringträger. Damit umfassen die beiden Ringnuten jeweils einen Ringträger, wodurch die Festigkeit erhöht und der Fertigungsaufwand verringert wird, weiterführend kann auch eine spanabhebende Bearbeitung zur Einbringung der Ringnuten entfallen. Allerdings ist es in diesem Fall erforderlich, die Ringträger vor dem Gießen des Kolbens separat zu fertigen, in das Gießwerkzeug einzusetzen und anschließend durch Auffüllen des Gießwerkzeuges mit der Gießschmelze zu umgeben.
In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest der eine Ringträger der oberen Ringnut, insbesondere aber auch sind beide Ringträger vollständig von dem Material des Kolbenoberteils umgeben. Dies hat den Vorteil einer erhöhten Festigkeit, da der Ringträger vollständig (mit Ausnahme der nach außen weisenden Fläche, in der die Nuten angeordnet sind, von dem Material des Kolbenoberteils umgeben sind und sich somit hinreichend abstützen können.
In Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Ringträger alfiniert. Diese Alfinschicht auf dem Ringträger in denjenigen Bereichen, in denen der Ringträger von dem Material des Kolbenoberteils umgeben wird, hat den Vorteil, dass dadurch die Verbindung zwischen dem Ringträger und dem ihn umgebendem Material des Kolbenoberteils verbessert wird, wodurch die Festigkeit zusätzlich erhöht wird. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung zumindest das Kolbenoberteil, insbesondere aber auch der gesamte Kolben, aus einem Leichtmetallwerkstoff und der Ringträger aus einem Stahlwerkstoff besteht.
Somit ist es möglich, dass zumindest das Kolbenoberteil, insbesondere der gesamte Kolben, aus einem Leichtmetallwerkstoff (wie z.B. Aluminium) besteht, während der Ringträger aus einem Stahlwerkstoff gefertigt ist. Alternativ sind aber auch gleiche Materialpaarungen (Kolbenoberteil und Ringträger aus Stahl oder Kolbenoberteil und Ringträger aus Aluminium) nicht ausgeschlossen.
Damit stellt die Erfindung einen Kolben mit nur zwei Ringnuten, vorzugsweise aus einem Leichtmetallwerkstoff, für Diesel- oder Otto-Brennkraftmaschinen zur Verfügung, wobei mindestens die obere Ringnut mit einem Ringträger versehen ist, wodurch in vorteilhafter Weise Reibleistungsreduktion, Gewichtseinsparung, Kosteneinsparung auf Grund von Material und Herstellungsaufwand, Dauerfestigkeitserhöhung und geringerem Platzbedarf gegeben sind. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in zwei Ansichten in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wobei ein Kolben mit der Bezugsziffer 1 versehen ist. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3, die separat voneinander fertigbar und anschließend zusammenfügbar sind oder die beide zusammen ein einstückiges Bauteil (Kolbenrohling) bilden. Das Kolbenoberteil 2 weist ein Ringfeld 4 auf, wobei je nach Ausführung des Kolbens 1 koaxial innerhalb des Ringfeldes 4 eine Brennraummulde vorhanden sein kann, aber nicht muss. Das Kolbenunterteil 3 weist in an sich bekannter Weise Kolbenschäfte auf, mit denen der Kolben 1 im Zylinder der Brennkraftmaschine geführt ist. Außerdem umfassen die Kolbenschäfte Bolzenbohrungen, in die ein Kolbenbolzen zur Verbindung mit einem Pleuel einsetzbar ist.
In erfindungsgemäßer Weise weist das Ringfeld 4 genau zwei Ringnuten, also eine untere Ringnut 5 und eine obere Ringnut 6, auf, wobei zumindest die obere Ringnut 6 einen Ringträger 7 umfasst. Der Ringträger 7 ist ein vorzugsweise einstückiges Bauteil, das beim Gießen des Kolbenrohlings in eine Gießform eingesetzt wird, an der gewünschten Position lagefixiert wird, wobei dann anschließend die Gießform mit Gießschmelze aufgefüllt wird, und den Ringträger 7 vollständig von der Gießschmelze umgeben wird. Besteht der Ringträger 7 aus einem Stahlwerkstoff und die Gießschmelze aus einem Leichtmetallwerkstoff, so wird vorzugsweise der Ringträger 7 vor dem Einsetzen in die Giesform alfiniert. Auf die gleiche Art und Weise kann auch ein Ringträger für die untere Ringnut 5 eingesetzt werden. Weist nur die obere Ringnut 6 den Ringträger 7 auf, wird nach dem Gießen des Kolbenrohlings die untere Ringnut 5 durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht. Anschließend erfolgt in an sich bekannter Weise die Feinbearbeitung, um den Kolbenrohling auf das gewünschte Maß für den fertigen Kolben 1 zu bringen. Bezugszeichenliste
1. Kolben
2. Kolbenoberteil
3. Kolbenunterteil
4. Ringfeld
5. untere Ringnut
6. obere Ringnut
7. Ringträger
8. Kolbenhubachse
9. Kolbenbolzenachse

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einem ein Ringfeld (4) mit mehreren Ringnuten aufweisendes Kolbenoberteil (2) sowie ein Kolbenunterteil (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Ringfeld (4) genau zwei Ringnuten (5, 6) aufweist und zumindest die obere Ringnut (6) einen Ringträger (7) umfasst.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass auch die untere Ringnut (5) einen Ringträger umfasst.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ringträger (7) vollständig von dem Material des Kolbenoberteiles (2) umgeben ist.
4. Kolben (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ringträger (7) alfiniert ist.
5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest das Kolbenoberteil (2) aus einem Leichtmetallwerkstoff besteht.
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