WO2010075959A1 - Einteileger kolben aus stahl mit optimiertem mehrkomponentenkühlsystem - Google Patents

Einteileger kolben aus stahl mit optimiertem mehrkomponentenkühlsystem Download PDF

Info

Publication number
WO2010075959A1
WO2010075959A1 PCT/EP2009/008986 EP2009008986W WO2010075959A1 WO 2010075959 A1 WO2010075959 A1 WO 2010075959A1 EP 2009008986 W EP2009008986 W EP 2009008986W WO 2010075959 A1 WO2010075959 A1 WO 2010075959A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
cooling
connecting bore
joining
bore
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/008986
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Emmerich Ottliczky
Gerhard Luz
Volker Gniesmer
Original Assignee
Ks Kolbenschmidt 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 Ks Kolbenschmidt Gmbh filed Critical Ks Kolbenschmidt Gmbh
Publication of WO2010075959A1 publication Critical patent/WO2010075959A1/de

Links

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 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • 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

  • One-piece piston made of steel with optimized multi-component cooling system is
  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine, consisting of two parts, an upper and a lower part, which are non-detachably connected to each other by means of a joining method, so that thereafter a one-piece operational piston of an internal combustion engine is formed.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a one-piece piston of an internal combustion engine, which is composed of two parts and simplifies its production compared to known pistons and its longevity and fatigue strength is increased, without causing increases in the geometric dimensions or the weight of the piston ,
  • At least one connecting bore pointing downwards in the direction of an inner region of the piston is arranged in the upper part.
  • This at least one connecting bore preferably also a plurality of connecting bores, which are distributed over the circumference, in the upper part has the advantage that it is arranged in a largely tension-free zone of the upper part, because there are only rounded transitions of the walls of the upper part.
  • the radially encircling wall which forms the joining surface for connection to the corresponding joining surface of the lower part, is delimited on one side by the inner surface of the radially encircling cooling channel, furthermore by the piston bottom or inner surface of a combustion bowl (if present) and the piston crown above the cooling channel or laterally from the combustion bowl (as far as this, as already stated, is even present).
  • This wall opens into a radially circumferential downwardly directed parallel joining surface, which corresponds to the upwardly directed, also radially circumferential joining surface of the lower part.
  • the at least one connecting bore starting from the radially encircling cooling channel, arranged downward in the direction of the inner region of the piston in the wall of the upper part, so that the piston, in particular the upper part, retains the necessary stability.
  • the overall height of the piston according to the invention can be reduced in a particularly advantageous manner, since due to the downward orientation of the at least one connecting bore whose mouth in the region below the apex of the cooling channel and above the joining surfaces (or there existing Sch Strukturwülste) can be arranged. This in turn causes the downwardly directed circumferential wall of the upper part for the joining process has sufficient stability to join its joining surface with the corresponding joining surface of the lower part, in particular friction welding.
  • an effective replacement of the cooling medium in the cooling channel wherein the cooling medium (in particular engine oil) can enter via at least one inlet opening in the cooling channel, there circulates and absorbs heat and then via the connection bore in the inner region or another centrally located cooling chamber can then enter, optionally under targeted guidance to enter the interior and lubricate in a particularly advantageous manner also stored in the pin bore piston pin and at the same time to the desired heat dissipation realize.
  • the cooling medium in particular engine oil
  • Figures 1 and 2 each show in different views a piston 1, which consists of joined upper part 2 and lower part 3.
  • the two parts 2, 3 are preferably produced in a casting and / or forging process and preferably consist of a steel material, a light metal material or corresponding alloys. Also different materials for upper part 2 and lower part 3 are conceivable.
  • a ring field 4 in a conventional manner, as well as a combustion bowl 5, available.
  • formed behind the ring field 4 is a circulating almost completely closed cooling channel 6 and below the combustion chamber 5, a cooling chamber 7, which is disposed below the combustion bowl 5 and above a pin bore 8.
  • the lower part 3 has a piston shaft 9, which is cylindrical in shape and can be formed completely circumferential, but can also be reset in the form of a box piston in certain areas.
  • the planes in which the parts 2, 3 are joined are denoted by 10, 11.
  • a friction welding so that the Reibsch spawülste shown in the figures arise, which, depending on accessibility, remain or be removed after carrying out the friction welding.
  • a cooling medium preferably injected engine oil
  • a connecting bore 12 or a plurality of connecting bores 12
  • the orientation of the connecting bores, which are arranged in a particularly advantageous manner only in the upper part 2, is directed starting from the cooling channel 6 in the direction of the cooling space 7 downwards.
  • the arrangement of the at least one connecting bore 12 in the upper part 2 has the significant advantage that it is arranged in a largely tension-free zone of the upper part 2, because there, as can be seen in Figures 1 and 2, only rounded transitions of the walls (limitations for thedeknanal 6, the central cooling channel 7, the combustion bowl 5 or generally the piston crown and the joining surface 11 forming web) of the upper part 2 are present, so that no voltage spikes in the material structure or cracking can occur.
  • the circumferential ridge in the region of the joining zone 11 can be brought very close to the upper wall of the lower part 3, since due to the joining process sufficient stability can be achieved while reducing the overall height.
  • connection holes 12 are present.
  • FIG. 1 shows a single central connecting bore 13 between the cooling space 7 and the inner mold 14 of the piston 1, two or more connecting bores 13 being provided between the cooling space 7 and the inner shape 14 in FIG. 2, these connecting bores 13 being arranged concentrically around the piston stroke axis are.
  • Figure 3 shows on the basis of the piston 1, as shown in Figures 1 and 2, a further embodiment, wherein in addition to the two joining surfaces 10 and 11 preferably centrally below the dome of the combustion bowl 5, a third joining surface with associated connecting webs, preferably a third Friction welding zone, is present.
  • the joining of the two parts 2, 3 via this third, preferably central joint, in particular likewise by means of a friction welding, has the advantage of increasing the stability of the piston, in particular in the central region of the combustion bowl 5.
  • Figure 4 shows the piston 1 with an inserted connecting rod 15, in which case the position of the connecting holes 13 between the cooling chamber 7 and the inner mold 14 is selected so that when flowing through the connecting holes 13 with cooling medium of the flowing coolant flow is directed specifically to the connecting rod 15 ,
  • the bolt which is arranged in a conventional manner in the connecting rod 15, lubricated targeted and also cooled.
  • pockets with corresponding transition radii are introduced into the lower part 3, which specifically direct the cooling medium exiting downward through the connecting bores 13 when viewing FIG. 4 onto the upper part of the connecting rod 15.
  • Figure 5 shows a particular embodiment of the joining zone 11, in which the associated joining surface of the upper part 2 is butt joined to a plateau-shaped configuration of the lower part 3, preferably welded.
  • Figures 6 to 8 show, based on the piston of Figures 1 and 2, three-dimensional views, the design of the upper part 2 and lower part 3 and the position and orientation of the connecting holes 12, 13 can be seen.
  • Figure 9 shows a three-dimensional view of the piston, as it is also shown in Figure 3 and described.
  • Figures 10 to 12 show a piston which also consists of upper part 2 and lower part 3 and in which a total of three joining surfaces are present.
  • the third joining zone is not arranged centrally in the area of the piston stroke axis, but webs of the upper part 2 and of the lower part 3 are also present concentrically around the piston stroke axis be brought together.
  • connecting holes are present between the outer cooling channel 6 and the concentric inside cooling channel.
  • connecting bores are present from the inner cooling channel to the concentric cooling space.
  • connecting bores of the outer cooling channel 6, as well as in the cooling channel 6 of the embodiments of the piston 1 in the preceding figures, in the direction of the inner shape of the piston 1 may be present.
  • a friction welding possibly also a multi-orbital friction welding, into consideration, with which the parts 2, 3 of the piston 1, as shown in the figures, are assembled.
  • all other joining methods with which the parts 2, 3 are permanently connected to each other, conceivable.
  • all other welding methods for example laser welding or electron beam welding, come into consideration, as well as soldering or adhesive bonding, in which it must be ensured that the required holding forces between the parts 2, 3 are achieved.
  • the invention thus represents, in a particularly preferred form, without any restriction, the following:
  • a double friction-welded piston with additional internal cooling chamber the connecting bores between the two cooling chambers are located in the upper part. Their location is considered obliquely descending oriented from outside to inside.
  • the holes are made from the inside. Since these holes in the upper part due to the process by the friction welding process in their circumferential position are random, to optimize the oil exchange of a minimum number of holes is required. This is at least four holes (pitch angle ⁇ 90 °).
  • these holes can also be targeted to the circumference by a controlled friction welding process at the expense of higher costs.
  • the friction welding of the inner surfaces may be designed as a tube-plate connection.
  • the inner cooling chamber receives at least one, preferably two outlet holes in the inner mold. These are preferably to be arranged directly above the gap between the connecting rod and hub to support the hub lubrication.
  • these exit bores can be arranged obliquely (at an angle to the piston stroke direction).
  • a recess in the inner mold above the pin support in the hub can be provided. In tight spaces, this recess can be used to accommodate the exit holes.
  • an at least threefold, preferably exactly threefold, joined, in particular friction-welded piston with additional internal cooling space is proposed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1), der zumindest ein ein Ringfeld (4) aufweisendes Oberteil (2) sowie zumindest ein einen Kolbenschaft (9) und Bolzenbohrungen (8) aufweisendes Unterteil (9) umfasst, wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (9) Fügeflächen (10, 11) aufweisen und ein Kühlknanal (6) vorgesehen ist, der von dem Oberteil (2) und/oder dem Unterteil (9) gebildet ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ausgehend von dem Kühlkanal (6) zumindest eine in Richtung eines Innenbereiches (14) des Kolbens (1) abwärts gerichtete Verbindungsbohrung (12) in dem Oberteil (2) angeordnet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Einteiliger Kolben aus Stahl mit optimiertem Mehrkomponentenkühlsystem
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zwei Teilen, einem Ober- und einem Unterteil, die mittels eines Fügeverfahrens unlösbar miteinander verbunden werden, so dass danach ein einteiliger einsatzbereiter Kolben einer Brennkraftmaschine entsteht.
Ausgangspunkt ist die US 6,477,941 , aus der es bekannt ist, dass zwei Teile aus einem Stahlwerkstoff hergestellt werden. Diese beiden Teile weisen einander zugewandte Fügeflächen in Form von umlaufenden Stegen auf, wobei als Fügeverfahren ein Reibschweißen angewendet wird. Nach dem Zusammenfügen der beiden Teile entsteht ein einteiliger einsatzbereiter Kolben, der in seinem oberen Bereich, der dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine zugewandt ist, zwei Kühlräume (einen umlaufenden Kühlkanal sowie einen Kühlraum unterhalb einer Brennraummulde) aufweist. Die beiden Kühlräume sind untereinander mit Verbindungsbohrungen verbunden, die vom äußeren Kühlkanal zum inneren Kühlraum hin aufwärts gerichtet sind. Außerdem sind die Verbindungsbohrungen in dem umlaufenden Steg des Unterteiles, der in Richtung des Oberteiles nach oben weist, angeordnet. Dies hat den Nachteil, dass ein umlaufender Steg des Unterteiles, der nach oben weist, mit ausreichender Höhe vorhanden sein muss, um den schräg ausgerichteten Verbindungskanal dort unterbringen zu können. Dadurch erhöht sich allerdings die Bauhöhe des Kolbens in nachteiliger weise. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einteiligen Kolben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, der aus zwei Teilen zusammengefügt ist und dessen Herstellung gegenüber bekannten Kolben vereinfacht und seine Langlebigkeit und Dauerfestigkeit erhöht ist, ohne dass es zu Vergrößerungen der geometrischen Maße oder des Gewichtes des Kolbens kommt.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Kühlkanal zumindest eine in Richtung eines Innenbereiches des Kolbens abwärts gerichtete Verbindungsbohrung in dem Oberteil angeordnet ist. Diese zumindest eine Verbindungsbohrung, vorzugsweise auch mehrere Verbindungsbohrungen, die über den Umfang verteilt sind, in dem Oberteil hat den Vorteil, dass sie in einer weitestgehend spannungsfreien Zone des Oberteiles angeordnet ist, weil dort nur gerundete Übergänge der Wandungen des Oberteiles vorhanden sind. Die radial umlaufende Wandung, die endseitig die Fügefläche zur Verbindung mit der korrespondierenden Fügefläche des Unterteiles bildet, wird begrenzt auf der einen Seite von der Innenfläche des radial umlaufenden Kiihlkanals, weiterhin von dem Kolbenboden bzw. der Innenfläche einer Brennraummulde (soweit vorhanden) und dem Kolbenboden oberhalb des Kühlkanals bzw. seitlich von der Brennraummulde (soweit diese, wie schon ausgeführt, überhaupt vorhanden ist). Diese Wandung mündet in eine radial umlaufende nach unten gerichtete parallele Fügefläche, die mit der nach oben gerichteten, ebenfalls radial umlaufenden Fügefläche des Unterteiles korrespondiert. Somit ist die zumindest eine Verbindungsbohrung, ausgehend von dem radial umlaufenden Kühlkanal, abwärtsgerichtet in Richtung des Innenbereiches des Kolbens in der Wandung des Oberteiles angeordnet, sodass der Kolben, insbesondere dessen Oberteil, die notwendige Stabilität beibehält. Außerdem kann in besonders vorteilhafter Weise die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Kolbens reduziert werden, da aufgrund der abwärtsgerichteten Ausrichtung der zumindest einen Verbindungsbohrung deren Mündung im Bereich unterhalb des Scheitelpunktes des Kühlkanals und oberhalb der Fügeflächen (bzw. der dort vorhandenen Schweißwülste) angeordnet werden kann. Das wiederum bewirkt, dass die nach unten gerichtete umlaufende Wandung des Oberteiles für den Fügevorgang genügend Stabilität aufweist, um dessen Fügefläche mit der korrespondierenden Fügefläche des Unterteiles zusammenzufügen, insbesondere reibzuschweißen. Außerdem erfolgt in vorteilhafter Weise durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens im Zylinderraum der Brennkraftmaschine ein wirksamer Austausch des Kühlmediums in dem Kühlkanal, wobei das Kühlmedium (insbesondere Motoröl) über zumindest eine Eintrittöffnung in den Kühlkanal eintreten kann, dort zirkuliert und Wärme aufnimmt und dann über die Verbindungsbohrung in den Innenbereich bzw. einen weiteren zentral angeordneten Kühlraum gelangen kann, um anschließend, gegebenenfalls unter gezielter Führung, in den Innenbereich einzutreten und in besonders vorteilhafter Weise dabei auch den in der Bolzenbohrung gelagerten Kolbenbolzen zu schmieren und gleichzeitig auch die gewünschte Wärmeabfuhr zu realisieren.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, aus denen sich entsprechende Vorteile ergeben, und im folgenden anhand der Figurenbeschreibung erläutert unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 12.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils in verschiedenen Ansichten einen Kolben 1, der aus zusammengefügtem Oberteil 2 und Unterteil 3 besteht. Die beiden Teile 2, 3 werden vorzugsweise in einem Gieß- und/oder Schmiedeverfahren hergestellt und bestehen vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, einem Leichtmetallwerkstoff oder entsprechenden Legierungen. Auch unterschiedliche Materialien für Oberteil 2 und Unterteil 3 sind denkbar. In dem fertigen Kolben 1 ist ein Ringfeld 4 in an sich bekannter Weise, genauso wie eine Brennraummulde 5, vorhanden. Nachdem die beiden Teile 2, 3 zusammengefügt worden sind, entsteht hinter dem Ringfeld 4 ein umlaufender nahezu vollständig geschlossener Kühlkanal 6 sowie unterhalb der Brennraummulde 5 ein Kühlraum 7, der unterhalb der Brennraummulde 5 und oberhalb einer Bolzenbohrung 8 angeordnet ist. Das Unterteil 3 weist einen Kolbenschaft 9 auf, der zylindrisch geformt ist und vollständig umlaufend ausgebildet sein kann, aber auch nach Form eines Kastenkolbens in bestimmten Bereichen zurückgesetzt sein kann.
Die Ebenen, in denen die Teile 2, 3 zusammengefügt werden, sind mit 10, 11 bezeichnet. Bei dem Fügeverfahren, das zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Kolbens 1 angewandt wird, handelt es sich um ein Reibschweißverfahren, so dass die in den Figuren gezeigten Reibschweißwülste entstehen, die, je nach Zugänglichkeit, verbleiben oder nach Durchführung des Reibschweißvorganges entfernt werden. Damit zwischen den beiden Kühlräumen 6, 7 ein Kühlmedium, vorzugsweise eingespritztes Motoröl, zirkulieren kann, ist eine Verbindungsbohrung 12 (beziehungsweise mehrere Verbindungsbohrungen 12) vorhanden. Die Ausrichtung der Verbindungsbohrungen, die in besonders vorteilhafter Weise nur in dem Oberteil 2 angeordnet sind, ist ausgehend von dem Kühlkanal 6 in Richtung des Kühlraumes 7 abwärts gerichtet. Die Anordnung der zumindest einen Verbindungsbohrung 12 in dem Oberteil 2 hat den wesentlichen Vorteil, dass sie in einer weitgehend spannungsfreien Zone des Oberteiles 2 angeordnet ist, weil dort, wie in den Figuren 1 und 2 erkennbar ist, nur gerundete Übergänge der Wandungen (Begrenzungen für den Kühlknanal 6, den zentralen Kühlkanal 7, die Brennraummulde 5 bzw. allgemein den Kolbenboden sowie den die Fügefläche 11 bildenden Steg) des Oberteiles 2 vorhanden sind, so dass keine Spannungsspitzen im Materialgefüge oder Rissbildungen auftreten können. Außerdem kann der umlaufende Steg im Bereich der Fügezone 11 sehr nah an die obere Wand des Unterteiles 3 herangeführt werden, da aufgrund des Fügevorganges eine ausreichende Stabilität bei gleichzeitiger Reduzierung der Bauhöhe erzielt werden kann. Insgesamt sind in besonders vorteilhafter Weise vier oder mehr als vier, beispielsweise sechs, Verbindungsbohrungen 12 vorhanden. Dies hat den Vorteil, dass ein optimaler Durchsatz an Kühlmedium erzielt wird und alle Bereiche des Kolbens 1 um den Kühlraum 7 herum mit Kühlmedium versorgt werden, da aufgrund des Fügevorganges, insbesondere des Reibschweißvorganges, eine definierte Lage der Verbindungsbohrungen 12 in Bezug auf das Unterteil 3 nicht oder nur mit sehr hohem messtechnischen Aufwand sichergestellt werden kann. Folglich haben vier oder mehr Verbindungsbohrungen 12 den Vorteil, dass umfänglich und räumlich die gewünschten Bereiche des Oberteiles 2 sowie des Unterteiles 3 ausreichend mit Kühlmedium versorgt und dementsprechend gut gekühlt werden.
Weiterhin ist eine im Unterteil 3 angeordnete Verbindungsbohrung 13 (auch mehrere Verbinduπgsbohrungen sind denkbar) angeordnet, über die ein Austausch des Innenbereiches (auch Innenform genannt) 14 und dem Kühlraum 7 mit Kühlmedium stattfinden kann. In Figur 1 ist eine einzige zentrale Verbindungsbohrung 13 zwischen dem Kühlraum 7 und der Innenform 14 des Kolbens 1 gezeigt, wobei in Figur 2 zwei oder mehr Verbindungsbohrungen 13 zwischen Kühlraum 7 und Innenform 14 vorhanden sind, wobei diese Verbindungsbohrungeπ 13 konzentrisch um die Kolbenhubachse herum angeordnet sind.
Figur 3 zeigt auf Basis des Kolbens 1 , wie er in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, eine weitere Ausgestaltungsform, wobei neben den beiden Fügeflächen 10 und 11 vorzugsweise zentral unterhalb des Domes der Brennraummulde 5 eine dritte Fügefläche mit zugehörigen Verbindungsstegen, vorzugsweise eine dritte Reibschweißzone, vorhanden ist. Die Zusammenfügung der beiden Teile 2, 3 über diese dritte, vorzugsweise zentrale Fügestelle, insbesondere ebenfalls mittels einer Reibschweißung, hat den Vorteil der Erhöhung der Stabilität des Kolbens, insbesondere im Zentralbereich der Brennraummulde 5.
Figur 4 zeigt den Kolben 1 mit einem eingesetzten Pleuel 15, wobei hier die Lage der Verbindungsbohrungen 13 zwischen dem Kühlraum 7 und der Innenform 14 so gewählt ist, dass bei einer Durchströmung der Verbindungsbohrungen 13 mit Kühlmedium der durchströmende Kühlmittelfluss gezielt auf das Pleuel 15 gerichtet wird. Dies hat den Vorteil, dass der Bolzen, der in an sich bekannter Weise in dem Pleuel 15 angeordnet ist, gezielt geschmiert und auch gekühlt wird. Zu diesem Zweck sind unterhalb der Verbindungsbohrungen 13 (siehe Figur 4) in das Unterteil 3 eingebrachte Taschen mit entsprechenden Übergangsradien vorhanden, die das bei Betrachtung der Figur 4 nach unten durch die Verbindungsbohrungen 13 austretende Kühlmedium gezielt auf das Oberteil des Pleuels 15 lenken.
Figur 5 zeigt eine besondere Ausgestaltung der Fügezone 11, bei der die zugehörige Fügefläche des Oberteiles 2 stumpf auf eine plateauförmige Ausgestaltung des Unterteiles 3 gefügt, vorzugsweise geschweißt wird.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen, basierend auf dem Kolben der Figuren 1 und 2, dreidimensionale Ansichten, wobei die Ausgestaltung von Oberteil 2 und Unterteil 3 sowie die Lage und Ausrichtung der Verbindungsbohrungen 12, 13 erkennbar ist. Figur 9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Kolbens, wie er auch in Figur 3 gezeigt und dazu beschrieben ist.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen einen Kolben, der ebenfalls aus Oberteil 2 und Unterteil 3 besteht und bei dem insgesamt drei Fügeflächen vorhanden sind. Allerdings ist bei diesem Kolben, wie er in den Figuren 10 bis 12 gezeigt ist, die dritte Fügezone nicht zentral im Bereich der Kolbenhubachse angeordnet, sondern es sind ebenfalls konzentrisch um die Kolbenhubachse herum Stege des Oberteiles 2 und des Unterteiles 3 vorhanden, die beim Fügen zusammengebracht werden. Dabei entsteht neben dem umlaufenden Kühlkanal 6, wie er in den vorangegangenen Figuren schon gezeigt war, ein weiterer, innerer Kühlkanal sowie in dem inneren Kühlkanal konzentrisch innenliegeπd ein Kühlraum unterhalb des Scheitelpunktes der domförmigen Gestaltung der Brennraummulde 5. Zwischen dem äußeren Kühlkanal 6 und dem konzentrisch innenliegenden Kühlkanal sind ebenfalls im Oberteil 2 Verbindungsbohrungen, die von außen nach innen abwärts gerichtet sind, angeordnet. Ebenso sind von dem innenliegenden Kühlkanal zu dem konzentrischen Kühlraum Verbindungsbohrungen vorhanden. Gegebenenfalls können auch Verbindungsbohrungen von dem äußeren Kühlkanal 6, wie im Übrigen auch bei dem Kühlkanal 6 der Ausgestaltungsformen des Kolbens 1 in den vorangegangenen Figuren, in Richtung der Innenform des Kolbens 1 vorhanden sein.
Als Fügeverfahren zum Zusammenfügen der beiden Teile 2, 3 kommt in besonders vorteilhafter Weise ein Reibschweißverfahren, gegebenenfalls auch ein multiorbitales Reibschweißverfahren, in Betracht, mit dem die Teile 2, 3 des Kolbens 1 , wie er in den Figuren gezeigt ist, zusammengefügt werden. Daneben sind aber auch alle weiteren Fügeverfahren, mit denen die Teile 2, 3 unlösbar miteinander verbindbar sind, denkbar. So kommen auch alle anderen Schweißverfahren, zum Beispiel Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, in Betracht, genauso wie Lötverfahren oder auch Klebeverfahren, bei denen sicherzustellen ist, dass die erforderlichen Haltekräfte zwischen den Teilen 2, 3 erzielt werden.
Die Erfindung stellt somit in besonders bevorzugter Form, ohne dass eine Einschränkung gegeben ist, folgendes vor: Ein doppelt reibgeschweißter Kolben mit zusätzlichem Innenkühlraum, die Verbiπdungsbohrungen zwischen beiden Kühlräumen befinden sich im Oberteil. Ihre Lage ist schräg absteigend orientiert von außen nach innen betrachtet. Die Bohrungen werden von der Innenseite her angebracht. Da diese Bohrungen im Oberteil verfahrensbedingt durch den Reibschweißprozess in ihrer Umfangslage zufällig liegen, ist zur Optimierung des Ölaustausches eines Mindestanzahl an Bohrungen erforderlich. Diese beträgt mindestens vier Bohrungen (Teilungswinkel ≤ 90°). Optional können diese Bohrungen durch einen gesteuerten Reibschweißprozess zu Lasten höherer Kosten auch gezielt auf dem Umfang platziert werden. Optional kann die Reibschweißverbindung der inneren Flächen als Rohr-Platte-Verbindung konzipiert sein. Dieses spart Raum zur Ausbildung der Schweißwülste und garantiert mehr Freiraum zur Platzierung der Verbindungsbohrungen im Oberteil. Der innere Kühlraum erhält dabei mindestens eine, vorzugsweise zwei Austrittsbohrungen in die Innenform. Diese sind bevorzugt direkt oberhalb des Spaltes zwischen Pleuel und Nabe zur Unterstützung der Nabenschmierung anzuordnen. Optional können diese Austrittsbohrungen schräg (unter einem Winkel zur Kolbenhubrichtung) angeordnet sein. Optional kann weiterhin eine Ausdrehung in der Innenform oberhalb der Bolzenauflage in der Nabe vorgesehen werden. Bei engen Platzverhältnissen kann diese Ausdrehung zur Aufnahme der Austrittsbohrungen benutzt werden. Weiterhin wird ein mindestens dreifach, bevorzugt genau dreifach, gefügter, insbesondere reibgeschweißter Kolben mit zusätzlichem Innenkühlraum vorgeschlagen.
Durch die vorstehend vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich ein Kolben mit komplett verschlossenen Kühlkanälen für höchste Anforderungen bei gleichzeitiger Vereinfachung der Herstellung und Kostenverringerung. Bezugszeichenliste
1. Kolben
2. Oberteil
3. Unterteil
4. Ringfeld
5. Brennraummulde
6. Kühlkanal
7. Kühlraum
8. Bolzenbohruπgen
9. Kolbenschaft
10. Fügefläche
11. Fügefläche
12. Verbindungsbohrungen
13. Verbinduπgsbohrungen
14. Innenbereich
15. Pleuel

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H EEinteiliger Kolben aus Stahl mit optimiertem Mehrkomponentenkühlsystem
1. Kolben (1), der zumindest ein ein Ringfeld (4) aufweisendes Oberteil (2) sowie zumindest ein einen Kolbenschaft (9) und Bolzeπbohrungen (8) aufweisendes Unterteil (9) umfasst, wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (9) Fügeflächen (10, 11) aufweisen und ein Kühlknanal (6) vorgesehen ist, der von dem Oberteil (2) und/oder dem Unterteil (9) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Kühlkanal (6) zumindest eine in Richtung eines Innenbereiches (14) des Kolbens (1) abwärts gerichtete Verbindungsbohrung (12) in dem Oberteil (2) angeordnet ist.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zentral oberhalb der Bolzenbohrungen (8) ein Kühlraum (7) vorgesehen ist, wobei die zumindest eine Verbindungsbohrung (12) in den Kühlraum (7) mündet.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenbereich (14) und dem zentralen Kühlraum (7) zumindest eine Verbindungsbohrung (13) in dem Unterteil (3) angeordnet ist.
4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine in dem Oberteil (2) angeordnete Verbindungsbohrung (12) in einer weitgehend spannungsfreien Zone des Oberteiles (2) angeordnet ist, wobei um die Verbindungsbohrung (12) herum nur gerundete Übergänge der Wandungen des Oberteiles (2) vorhanden sind.
5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier oder mehr als vier, beispielsweise sechs, Verbindungsbohrungen (12) vorhanden sind.
6. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) mit einem Pleuel (15) verbunden ist, wobei die Lage der zumindest einen Verbindungsbohrung (13) zwischen dem Kühlraum (7) und dem Innenbereich (14) so gewählt ist, dass bei einer Durchströmung der zumindest einen Verbindungsbohrung (13) mit Kühlmedium der durchströmende Kühlmittelfluss gezielt auf das Pleuel (15) gerichtet ist.
7. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (3) eine plateauförm ige Ausgestaltung aufweist, wobei die zugehörige Fügefläche (11) des Oberteiles (2) stumpf mit der plateauförmigen Ausgestaltung des Unterteiles (3) verbunden, vorzugsweise geschweißt, ist.
8. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzlich zu den beiden Fügeflächen (10, 11), vorzugsweise zentral unterhalb des Domes der Brennraummulde (5), eine dritte Fügefläche mit zugehörigen Verbindungsstegen, vorzugsweise eine dritte Reibschweißzone, vorhanden ist.
PCT/EP2009/008986 2008-12-15 2009-12-15 Einteileger kolben aus stahl mit optimiertem mehrkomponentenkühlsystem WO2010075959A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008061850.0 2008-12-15
DE102008061850 2008-12-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010075959A1 true WO2010075959A1 (de) 2010-07-08

Family

ID=41719219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/008986 WO2010075959A1 (de) 2008-12-15 2009-12-15 Einteileger kolben aus stahl mit optimiertem mehrkomponentenkühlsystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009058176A1 (de)
WO (1) WO2010075959A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010033882A1 (de) * 2010-08-10 2012-02-16 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor
WO2013083342A1 (de) * 2011-12-09 2013-06-13 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kolben für brennkraftmaschinen
US8973484B2 (en) 2011-07-01 2015-03-10 Mahle Industries Inc. Piston with cooling gallery
US9856820B2 (en) 2010-10-05 2018-01-02 Mahle International Gmbh Piston assembly
EP4141246A1 (de) * 2021-08-31 2023-03-01 Mazda Motor Corporation Kolbenstruktur eines motors und motor
EP4141245A1 (de) * 2021-08-31 2023-03-01 Mazda Motor Corporation Kolbenstruktur eines motors, motor und motorsystem

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011106559A1 (de) 2011-07-05 2013-01-10 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor
DE102012008947A1 (de) 2012-05-05 2013-11-07 Mahle International Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
WO2014004906A1 (en) * 2012-06-27 2014-01-03 Mahle International Gmbh Piston with cooling gallery and closed collar chamber

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1955903A1 (de) * 1968-11-07 1970-05-21 Komatsu Mfg Co Ltd Kolben fuer Verbrennungsmotor
DE2140824A1 (de) * 1971-08-14 1973-02-22 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Oelgekuehlter kolben fuer brennkraftmaschinen
DE2348870A1 (de) * 1973-09-28 1975-04-10 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Mehrteiliger kolben fuer brennkraftmaschinen, insbesondere grossdieselmotoren
EP0019323A1 (de) * 1979-05-16 1980-11-26 Karl Schmidt Gmbh Kolben für Brennkraftmaschinen
DE19902144A1 (de) * 1999-01-20 2000-07-27 Mahle Gmbh Gebauter Kolben oder aus miteinander verschweißten bzw. verlöteten Bauteilen bestehender Kolben
EP1077324A2 (de) * 1999-08-16 2001-02-21 Caterpillar Inc. Kompakter einstückiger Kolben und Verfahren zur Herstellung
US6477941B1 (en) 1999-10-08 2002-11-12 Federal-Mogul World Wide, Inc. Dual gallery piston
WO2007031107A1 (de) * 2005-09-17 2007-03-22 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kolben, insbesondere kühlkanalkolben, mit drei reibschweisszonen
WO2007082564A1 (de) * 2006-01-21 2007-07-26 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kühlkanalkolben für eine brennkraftmaschine
EP1876344A1 (de) * 2006-07-05 2008-01-09 KS Kolbenschmidt GmbH Kühlmediumübertritt im Kolben mit kleiner Kompressionshöhe

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1955903A1 (de) * 1968-11-07 1970-05-21 Komatsu Mfg Co Ltd Kolben fuer Verbrennungsmotor
DE2140824A1 (de) * 1971-08-14 1973-02-22 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Oelgekuehlter kolben fuer brennkraftmaschinen
DE2348870A1 (de) * 1973-09-28 1975-04-10 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Mehrteiliger kolben fuer brennkraftmaschinen, insbesondere grossdieselmotoren
EP0019323A1 (de) * 1979-05-16 1980-11-26 Karl Schmidt Gmbh Kolben für Brennkraftmaschinen
DE19902144A1 (de) * 1999-01-20 2000-07-27 Mahle Gmbh Gebauter Kolben oder aus miteinander verschweißten bzw. verlöteten Bauteilen bestehender Kolben
EP1077324A2 (de) * 1999-08-16 2001-02-21 Caterpillar Inc. Kompakter einstückiger Kolben und Verfahren zur Herstellung
US6477941B1 (en) 1999-10-08 2002-11-12 Federal-Mogul World Wide, Inc. Dual gallery piston
WO2007031107A1 (de) * 2005-09-17 2007-03-22 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kolben, insbesondere kühlkanalkolben, mit drei reibschweisszonen
WO2007082564A1 (de) * 2006-01-21 2007-07-26 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kühlkanalkolben für eine brennkraftmaschine
EP1876344A1 (de) * 2006-07-05 2008-01-09 KS Kolbenschmidt GmbH Kühlmediumübertritt im Kolben mit kleiner Kompressionshöhe

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010033882A1 (de) * 2010-08-10 2012-02-16 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor
WO2012019594A1 (de) * 2010-08-10 2012-02-16 Mahle International Gmbh Kolben für einen verbrennungsmotor
JP2013535617A (ja) * 2010-08-10 2013-09-12 マーレ インターナショナル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 内燃機関用のピストン
US8550052B2 (en) 2010-08-10 2013-10-08 Mahle International Gmbh Piston for an internal combustion engine
US9856820B2 (en) 2010-10-05 2018-01-02 Mahle International Gmbh Piston assembly
US8973484B2 (en) 2011-07-01 2015-03-10 Mahle Industries Inc. Piston with cooling gallery
WO2013083342A1 (de) * 2011-12-09 2013-06-13 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kolben für brennkraftmaschinen
US9518531B2 (en) 2011-12-09 2016-12-13 Ks Kolbenschmidt Gmbh Piston for internal combustion engines
EP4141246A1 (de) * 2021-08-31 2023-03-01 Mazda Motor Corporation Kolbenstruktur eines motors und motor
EP4141245A1 (de) * 2021-08-31 2023-03-01 Mazda Motor Corporation Kolbenstruktur eines motors, motor und motorsystem

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009058176A1 (de) 2011-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010075959A1 (de) Einteileger kolben aus stahl mit optimiertem mehrkomponentenkühlsystem
DE60122533T2 (de) Kolben und verfahren zur herstellung
EP1546535B1 (de) Mehrteiligen gekühlten kolben für einen verbrennungsmotor
DE102008034430B4 (de) Reibgeschweißter Stahlkolben mit optimiertem Kühlkanal
EP1926902B1 (de) Kolben, insbesondere kühlkanalkolben, mit drei reibschweisszonen
DE102011013113A1 (de) Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung
EP2761210B1 (de) Zweiteiliger stahlkolben für brennkraftmaschinen
WO2006056315A1 (de) Leichtbaukolben für thermisch hochbelastete kolben
EP1664515A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor
WO2014190962A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor
EP2459861A1 (de) Verfahren zum kühlen eines kolbens und ein gekühlter kolben
DE10209168B4 (de) Stahlkolben mit Kühlkanal
DE102013218709A1 (de) Zweiteilig aufgebauter Kolben einer Brennkraftmaschine
WO2013004218A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor
DE4328904C2 (de) Brennkraftmaschine mit einem abschnittsweise gekühlten Ventilsitzring
WO2013075701A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung
EP2880293A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor
DE102009015820A1 (de) Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung
WO1996038683A1 (de) Kolben-pleuel-anordnung für brennkraftmaschinen
DE102021203241A1 (de) Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung des Kolbens
WO2012069103A1 (de) Kolben für eine brennkraftmaschine
WO2016173690A1 (de) Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine
EP3551869A1 (de) Gewichtsoptimierter stahlkolben
DE10230745B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit kurzer Kompressionshöhe
WO2015104013A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09805682

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09805682

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1